阴极射线管在量子物理研究中的应用课程中与阴极射线管相关的实验
首先要介绍一下阴极射线管。阴极射线管是一个抽真空的玻璃管，里面封进去一个电子枪。电子枪由灯丝F、阴极K和栅极G组成。灯丝是一根金属细丝，通电后能发热；阴极是一根细金属管，被灯丝烤热后能发射电子；栅极是围绕阴极的金属线圈，由于挨得阴极近，所以加一点电压就能控制电子的发射。发射电子在阳极P正高压的吸引之下飞向阳极形成阳极电流Ip。阳极是一个金属圆筒套在阴极外边，阴极向四面发射电子形成电流Ip。
上面是本学期做物理实验时一位老师讲到阴极射线管时所做的大概的解释，同时他还说到阴极射线管是一个非常伟大的发明，在其上诞生过多次诺贝尔奖。下面就讨论一下本学期学习的内容中与阴极射线管相关的实验和知识内容，主要有光电效应，X射线的发现和弗兰克-赫兹实验。
首先要说的应该是光电效应。之所以要把它放在最前面，是因为它是这里要讨论的几个实验中最基础的，不仅是从时间先后顺序上，更是因为从光电效应实验中得到的结论和经验对后面两个实验有直接的理论和技术支持。
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图6-1-1 光电效应实验简图
1888年，德国物理学家赫兹在从事电磁波实验时注意到，接收电路中感应出来的电火花，当间隙的两个端面受到光照射时，火花要变得更强一些。此后，他的同事勒纳德测量了受到光照射的金属表面所释放的粒子的比荷，确认释放的是一种带负电的粒子，但是当时电子尚未发现，所以这种粒子被命名为阴极射线，这也是现在讨论的阴极射线管名称的由来。
左图是光电效应实验的原理图，其中最上方 A—K的部分便是阴极射线管的最初模型。最左边是阴极，一定强度的入射光透过石英窗照射到阴极K上，使K释放出电子，电子在加速电压的作用下飞向阳极A形成光电流。这就是光电效应，实验本身并不复杂，但在重复实验中人们发现了下面这些性质很难用当时已经知道的规律和知识来解释：
1、频率特性：不同的金属，有其不同的极限频率，只有入射光超过其极限频率时光电效应才能发生。低于极限频率，再强的光也不能产生光电效应
2、 光强特性：在一定的光强下，外电压增加，光电流逐渐增大，达到饱和。入射光越强，激发的电子越多，饱和光电流越大。
3、 瞬时响应：只要超过极限频率的光，即使很微弱，一经照射光电效应也会立即发生，而没有任何能量积聚的过程。
这些性质使试图用经典的物理学知识解释光电效应的人束手无策。为了圆满地解释这么性质，爱因斯坦在普朗克量子化理论假设的基础上提出了光子假设。光子假设很好地解释了光电效应，而爱因斯坦也因此获得了诺贝尔物理学奖。
自从光电效应被发现，关于阴极射线本质的争论就一直没有停止过，而让这一切争论结束的是汤姆逊。通过对阴极射线的研究，他取得了划时代的成就：发现了电子。所以，不能不说阴极射线管在电子发现的过程中扮演了一个相当重要的角色。
1895年，也就是在光电效应被发现后7年，利用主要部分几乎是完全相同的实验装置，甚至连实验方法也如出一辙，伦琴发现了X射线。若图片无法显示请联系QQ3710167,本论文免费,转发请注明源于www.lwfree.cn
具体过程是这样的：他在研究阴极射线时，为了防止外界光线对放电管的影响，也为了不使管内的可见光漏出管外所以把房间全部弄黑，还用黑色硬纸给放电管做了个封套。为了检查封套是否漏光，他给放电管接上电源，看到封套没有漏光他非常满意，可是当切断电源时却意外地发现一米以外的一个小工作台上有闪光，闪光是从一块荧光屏上发出的。他非常惊奇，因为阴极射线只能在空气中进行几个厘米，这是别人和他自己的实验早已证实的结论。于是他全神贯注地重复刚才的实验，把屏一步步地移远，直到2米以外仍可见到屏上有荧光。伦琴确信这不是阴极射线了。伦琴的治学态度非常严谨认真，经过反复实验，确信这是种尚未为人所知的新射线，便取名为X射线。
上面和图是从发现X射线的实验仪器，可以看出主要部分就是阴极射线管。在中学中已经学过排列在原子核周围的电子的势能是外层大内层小，而势能越小越稳定，所以原子中内层电子是很稳定的。但当利用阴极射线管把阴极阳极之间的电压加到几千伏几万伏甚至十几万伏时，在这样的电场中被加速的电子也会相应获得几千几万甚至十几万电子伏特的电量。具有如此大能量的电子打到阳极上，阳极材料原子的内层电子也会因为招架不住这么大的能量而被激发，这样就获得了X射线，或者像课本中说的那样，具有极高能量的电子与阳极发生碰撞而发射的波长约为0.001~0.01nm的电磁波即为X射线。
X射线的发现对人们的工作生活产生了极为重要的影响。特别是它在医学上的应用更是医学使上的一次不小的变革。此外，它在科学研究中的作用也是相当大，例如前面提到的汤姆逊对电子的研究就是从用X射线轰击气体并使其电离开始的；另外一个很著名的例子就是DNA分子双螺旋结构的发现，作为一名物理学家，克里克正是充分利用了X射线分析法才能够最终发现双螺旋结构，他也因此获得了诺贝尔奖。同样，伦琴也因为自己发现了X射线而荣获了1901年第一届诺贝尔物理学奖。
尽管已经从阴极射线管中取得了如此多如此巨大的成就，科学家利用阴极射38
阴极射线管在量子物理研究中的应用
线管进行的研究并没有停止。1914年，弗兰克和赫兹在利用充汞的阴极射线管研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时发现电子流随电子能量呈现规律的周期性变化，而这点正好与前一年玻尔提出的原子理论理论相符。然后，在1920年他们改进了原实验装置，提高了分辨率，通过更精确的实验证实了原子内部能量是量子化的，为玻尔的原子理论提供了强有力的证据。以下就是他们改进后的实验装置：
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F-H实验原理图
可以看到，本实验对阴极射线管做了一个重大的改动，而正是这个改动促使了弗兰克—赫兹实验的成功：他们在阴极射线管中增加第二个栅极——G2。这个栅极是挨着阳极绕的。把原先加在阳极的正高压加到G2上，在G2和阳极之间加一个小小的反向电压，使阳极保持对阴极相对的正高压，使发射电子一定要飞向阳极。不过发射电子只有通过G2上稍微高一点的电压的屏障才能到达阳极。这样，只有跑得快的电子才能到达阳极。如果发射电子在G2附近没有什么速度，它就要转弯被G2吸引，跑不到阳极上了。所以这个小反向电压起到了区分快电子和慢电子的作用。
通过对阴极射线管的这个改造，他们成功地进行了实验。不过，依据当时已经掌握的理论（非玻尔的假设），阳极电压越高，对阴极的吸引力就越大，阳极电流应该增加。但实际的操作中他们发现：阳极电压增加，阳极电流不是简单地增加，而且是会出现周期性的增减，而且这个周期与恰好为汞原子的第一激发能。实验中测得的I-U关系图线如下页的图示。
对以上现象可做如下解释：
当加速电压U从零开始增大时，电流I也随之增大，表示电子动能增加，到达阳极的电子数目必随之增多。这说明电子在飞行途中尽管会与管内的汞原子碰撞，但不损失能量，是弹性碰撞。当I增大到汞原子的第一激发电位 时，这时在栅极G2附近的电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量传递给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能穿越减速电场到达阳极，即到达阳极的电子数目减少，所以I开始下降。继续增大U，电流I又逐渐回升，这说明电子与汞原子碰撞后的剩余能量尚能使电子穿越减速电场而到达阳极。当U
弗兰克—赫兹实验I-U曲线
增大到 时，I又转为下降，说明电子与汞原子发生了第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到减速电场的阻挡而不能达到阳极，电流I再度下降。同样的道理，随着加速电压U的继续增大，电子会在栅极G2附近发生第三次、第四次、…非弹性碰撞，从而引起电流I的相应下跌，形成具有规则起伏的I-U曲线。可见，加速电压凡满足U=nU。（n=1,2,3……）时，电流I就会出现极小值。
这很好得证明了玻尔的假设，正是凭借这个实验及其所得出的结论，弗兰克和赫兹共同获得1925年诺贝尔物理学奖。
上面讨论的就是本学期课程中与阴极射线管有关的三个重要实验，不难看出这三个实验之间有着千丝万缕的联系：从光电效应到X光的发现，几乎就是只需要把两极之间的电压提高几千伏；而X光实验与弗兰克—赫兹实验除了相差一个挨着阳极绕的栅极外几乎就是完全相同，只不过后者中所加的电压不仅不能激发内层电子，甚至不足以激发外层电子。然而，就是在相差如此微小的情况下，从光电效应到X光发现用了7年，从X光发现到弗兰克—赫兹实验用了19年。所以，科学研究之路是异常艰辛的，从一个重大发现到另一个重大发现之间虽然往往只有几步路要走，但要能够迈出这几步所需要付出的却是一代代科学家的不懈努力。更重要的是，在这过程中必须要有细致入微、不放过任何细节的精神和超出常人的毅力、勇气，这样才能够一直沿着正确的方向走下去。
这对我们也是一个启示：要想在学习，工作和科研中有所成就，就必须善于发现，敢于创新，并能够为自己所认为正确的东西坚持不懈地努力直至达到既定的目标。
