如图1是证实玻尔关于原子存在分立能态的一种实验装置的原理示意图.由电子枪A射出的电子,射进一容器B中,其中有氦气.电子在O点与氦原子发生碰撞后进入速度选择器C,然后进入检测装置D.速度选择器C由两个同心的圆弧形电极P
1和P
2组成.当两极间加以电压U时,只允许具有确定能量的电子通过,并进入检测装置D,由检测装置测出电子产生的电流I.改变电压U,同时测出I的数值,即可确定碰撞后进入速度选择器的电子的能量分布.为简单起见,设电子与原子碰撞前,原子是静止的,原子质量比电子质量大得多,碰撞后,原子虽然稍微被碰动,但忽略这一能量损失,设原子未动,当电子与原子发生了弹性碰撞时,电子改变运动方向,但不损失动能,当发生非弹性碰撞时,电子损失的动能传给原子,使原子内部的能量增大.
(1)设速度选择器两极间的电压为U(V)时,允许通过的电子的动能为E
k(eV),试求出E
k(eV)与U(V)的函数关系.设通过选择器的电子的轨道半径r=20.0cm,电极P
1和P
2的间隔d=1.00cm,两极间场强的大小处处相等.
(2)当电子枪射出电子的动能E
k0=50.0eV时,改变电压U(V),测出电流I(A),得到如图2所示图线,图线表示,当电压U为5.00V,2.88V,2.72V,2.64V时,电流出现峰值.先定性说明图二表示的物理意义,根据实验结果求出氦原子三个激发态的能级E
n(eV),设基态的能级E
1=0eV.
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