大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)01 弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn).doc

實(shí)驗(yàn)06 弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn) 1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾（NBohr）提出了一個(gè)氫原子模型，并指出原子存在能級(jí)。該模型在預(yù)言氫光譜的觀察中取得了顯著的成功。根據(jù)玻爾的原子理論，原子光譜中的每根譜線表示原子從某一個(gè)較高能態(tài)向另一個(gè)較低能態(tài)躍遷時(shí)的輻射。 1914年，德國(guó)物理學(xué)家夫蘭克（JFranck）和赫茲（GHertz）對(duì)勒納用來(lái)測(cè)量電離電位的實(shí)驗(yàn)裝置作了改進(jìn)，他們同樣采取慢電子（幾個(gè)到幾十個(gè)電子伏特）與單元素氣體原子碰撞的辦法，但著重觀察碰撞后電子發(fā)生什么變化（勒納則觀察碰撞后離子流的情況）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，電子和原子碰撞時(shí)會(huì)交換某一定值的能量，且可以使原子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)。直接證明了原子發(fā)生躍變時(shí)吸收和發(fā)射的能量是分立的、不連續(xù)的，證明了原子能級(jí)的存在，從而證明了玻爾理論的正確。由而獲得了1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。 夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一，實(shí)驗(yàn)中用的“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法，己成為廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^(guò)測(cè)定氬原子等元素的第一激發(fā)電位（即中肯電位），證明原子能級(jí)的存在?！緝x器用具】ZKY-FH-2型智能夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀、SS7802型雙綜示波器【實(shí)驗(yàn)原理】 1關(guān)于激發(fā)電位： 玻爾提出的原子理論指出： （1）原子只能較長(zhǎng)地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（簡(jiǎn)稱為定態(tài)）。原子在這些狀態(tài)時(shí)，不發(fā)射或吸收能量：各定態(tài)有一定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的能量不論通過(guò)什么方式發(fā)生改變，它只能從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)。 （2）原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時(shí)，輻射頻率是一定的。如果用Em和En分別代表有關(guān)兩定態(tài)的能量的話，輻射的頻率決定于如下關(guān)系： （1）式中，普朗克常數(shù)h = 663 10-34 Jsec。 為了使原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，可以通過(guò)具有一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 設(shè)初速度為零的電子在電位差為U0的加速電場(chǎng)作用下，獲得能量eU0。當(dāng)具有這種能量的電子與稀薄氣體的原子（比如十幾個(gè)乇的氬原子）發(fā)生碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量交換。如以E1代表氬原子的基態(tài)能量、E2代表氬原子的第一激發(fā)態(tài)能量，那么當(dāng)氬原于吸收從電子傳遞來(lái)的能量恰好為eU0 = E2 E1 （2）時(shí)，氬原子就會(huì)從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。而且相應(yīng)的電位差稱為氬的第一激發(fā)電位（或稱氬的中肯電位）。測(cè)定出這個(gè)電位差U0，就可以根據(jù)（2）式求出氬原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差了（其他元素氣體原子的第一激發(fā)電位亦可依此法求得）。夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)的原理圖如圖一所示。在充氬的夫蘭克一赫茲管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓UG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間加有反向拒斥電壓UG2A 。管內(nèi)空間電位分布如圖二所示。當(dāng)電子通過(guò)KG2空間進(jìn)入G2A空間時(shí)，如果有較大的能量（ eUG2A ），就能沖過(guò)反向拒斥電場(chǎng)而到達(dá)板極形成板流，為微電流計(jì)A表檢出。如果電子在KG2空間與氬原子碰撞，把自己一部分能量傳給氬原子而使后者激發(fā)的話，電子本身所剩余的能量就很小，以致通過(guò)第二柵極后已不足于克服拒斥電場(chǎng)而被折回到第二柵極，這時(shí)，通過(guò)微電流計(jì)A表的電流將顯著減小。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，使UGK2電壓逐漸增加并仔細(xì)觀察電流計(jì)的電流指示，如果原子能級(jí)確實(shí)存在，而且基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間有確定的能量差的話，就能觀察到如圖三所示的IAUGK2 曲線。 圖三所示的曲線反映了氬原子在KG2空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。當(dāng)KG2空間電壓逐漸增加時(shí)，電子在KG2空間被加速而取得越來(lái)越大的能量。但起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，即使在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中它與原子相碰撞也只有微小的能量交換（為彈性碰撞）。穿過(guò)第二柵極的電子所形成的板流IA 將隨第二柵極電壓UGK2 的增加而增大（如圖三的oa段）。當(dāng)KG2間的電壓達(dá)到氬原子的第一激發(fā)電位Uo時(shí)，電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞，將自己從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量交給后者，并且使后者從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)。而電子本身由于把全部能量給了氬原子，即使穿過(guò)了第二柵極也不能克服反向拒斥電場(chǎng)而被折回第二柵極（被篩選掉）。所以板極電流將顯著減?。▓D三所示ab段）隨著第二柵極電壓的增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)到板極A ，這時(shí)電流又開(kāi)始上升（ bc段）。直到 KG2間電壓是二倍氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在KG2間又會(huì)因二次碰撞而失去能量，因而又會(huì)造成第二次板極電流的下降（cd段），同理，凡在 UGK2 n Uo（ n1，2，3 ） （3）的地方板極電流IA都會(huì)相應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏變化的IAUGK2 曲線。而各次板極電流IA下降相對(duì)應(yīng)的陰、柵極電壓差Un+1一Un應(yīng)該是氬原子的第一激發(fā)電位Uo。 本實(shí)驗(yàn)就是要通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)證實(shí)原子能級(jí)的存在，并測(cè)出氬原子的第一激發(fā)電位（公認(rèn)值為 Uo 11.5V）。 原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。在實(shí)驗(yàn)中被慢電子轟擊到第一激發(fā)態(tài)的原子要跳回基態(tài)，進(jìn)行這種反躍遷時(shí)，就應(yīng)該有e Uo電子伏特的能量發(fā)射出來(lái)。反躍遷時(shí)，原子是以放出光量子的形式向外輻射能量。這種光輻射的波長(zhǎng)為 （4）對(duì)于氬原子 如果夫蘭克一赫茲管中充以其他元素，則可以得到它們的第一激發(fā)電位（表一）表一 幾種元素的第一激發(fā)電位元素納（Na）鉀（K）鋰（Li）鎂（Mg）汞(Hg)氦（He）氖（Ne）U0（V）2.121.631.843.24.921.218.6()58985896766476996707.845712500584.3640.2【儀器介紹】1. ZKY-FH-2型智能夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀前后面板說(shuō)明1.1、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀 前面板如下圖所示，以功能劃分為八個(gè)區(qū)： 區(qū)1是夫蘭克-赫茲管各輸入電壓連接插孔和板極電流輸出插座；區(qū)2是夫蘭克-赫茲管所需激勵(lì)電壓的輸出連接插孔，其中左側(cè)輸出孔為正極，右側(cè)為負(fù)極； 區(qū)3是測(cè)試電流指示區(qū)：四位七段數(shù)碼管指示電流值；四個(gè)電流量程檔位選擇按鍵用于選擇不同的最大電流量程檔；每一個(gè)量程選擇同時(shí)備有一個(gè)選擇指示燈指示當(dāng)前電流量程檔位；區(qū)4是測(cè)試電壓指示區(qū)：四位七段數(shù)碼管指示當(dāng)前選擇電壓源的電壓值；四個(gè)電壓源選擇按鍵用于選擇不同的電壓源；每一個(gè)電壓源選擇都備有一個(gè)選擇指示燈指示當(dāng)前選擇的電壓源；區(qū)5是測(cè)試信號(hào)輸入輸出區(qū)：電流輸入插座輸入夫蘭克-赫茲管板極電流；信號(hào)輸出和同步輸出插座可將信號(hào)送示波器顯示；區(qū)6是調(diào)整按鍵區(qū)，用于：改變當(dāng)前電壓源電壓設(shè)定值；設(shè)置查詢電壓點(diǎn)；區(qū)7是工作狀態(tài)指示區(qū)：通信指示燈指示實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)的通信狀態(tài)；啟動(dòng)按鍵與工作方式按鍵共同完成多種操作；區(qū)8是電源開(kāi)關(guān)：1.2夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀后面板說(shuō)明 夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀后面板上有交流電源插座，插座上自帶有保險(xiǎn)管座；如果實(shí)驗(yàn)儀已升級(jí)為微機(jī)型,則通信插座可聯(lián)計(jì)算機(jī)，否則，該插座不可使用。2、基本操作：2.1、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀連線說(shuō)明 在確認(rèn)供電電網(wǎng)電壓無(wú)誤后，將隨機(jī)提供的電源連線插入后面板的電源插座中。2.2、開(kāi)機(jī)后的初始狀態(tài)開(kāi)機(jī)后，實(shí)驗(yàn)儀面板狀態(tài)顯示如下：實(shí)驗(yàn)儀的“1mA”電流檔位指示燈亮，表明此時(shí)電流的量程為1mA檔；電流顯示值為000.0A(若最后一位不為0，屬正?，F(xiàn)象)；實(shí)驗(yàn)儀的“燈絲電壓”檔位指示燈亮，表明此時(shí)修改的電壓為燈絲電壓；電壓顯示值為000.0V；最后一位在閃動(dòng)，表明現(xiàn)在修改位為最后一位；“手動(dòng)”指示燈亮，表明此時(shí)實(shí)驗(yàn)操作方式為手動(dòng)操作。2.3變換電流量程 如果想變換電流量程，則按下在區(qū)中的相應(yīng)電流量程按鍵，對(duì)應(yīng)的量程指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)電流指示的小數(shù)點(diǎn)位置隨之改變，表明量程已變換。2.4變換電壓源 如果想變換不同的電壓，則按下在區(qū)中的相應(yīng)電壓源按鍵，對(duì)應(yīng)的電壓源指示燈隨之點(diǎn)亮，表明電壓源變換選擇已完成，可以對(duì)選擇的電壓源進(jìn)行電壓值設(shè)定和修改。2.5修改電壓值 按下前面板區(qū)上的/鍵，當(dāng)前電壓的修改位將進(jìn)行循環(huán)移動(dòng)，同時(shí)閃動(dòng)位隨之改變，以提示目前修改的電壓位置。按下面板上的/鍵，電壓值在當(dāng)前修改位遞增/遞減一個(gè)增量單位。注意：如果當(dāng)前電壓值加上一個(gè)單位電壓值的和值超過(guò)了允許輸出的最大電壓值，再按下鍵，電壓值只能修改為最大電壓值。 如果當(dāng)前電壓值減去一個(gè)單位電壓值的差值小于零，再按下鍵，電壓值只能修改為零?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】?jī)x器調(diào)試與觀察曲線1準(zhǔn)備 （1）熟悉實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和使用方法。 （2）按照實(shí)驗(yàn)要求連接實(shí)驗(yàn)線路，檢查無(wú)誤后開(kāi)機(jī)。 （3）示波器連接與設(shè)置： 1將F-H實(shí)驗(yàn)儀的信號(hào)輸出端、同步輸出端，分別接示波器CH 1和EXT.TRIG端；打開(kāi)電源。2調(diào)節(jié)垂直SCALE旋鈕，使顯示屏左下角指示CH1通道靈敏度約為100mV500mV/div。3調(diào)節(jié)水平SCALE旋鈕，使顯示屏右下角指示Time約為200S。4. 待信號(hào)輸入（測(cè)試開(kāi)始）調(diào)節(jié)垂直P(pán)OSITION旋鈕，使波形居中。5待信號(hào)輸入（測(cè)試開(kāi)始）后，微調(diào)觸發(fā)電平LEVEL旋鈕，使波形清晰、穩(wěn)定。（4）開(kāi)機(jī)后的初始狀態(tài)。開(kāi)機(jī)后，實(shí)驗(yàn)儀面板狀態(tài)顯示如下 1實(shí)驗(yàn)儀的“l(fā) mA”電流檔位指示燈亮，表明此時(shí)電流的量程為1mA 檔；電流顯示值000.0A； 2實(shí)驗(yàn)儀的“燈絲電壓”檔位指示燈亮，表明此時(shí)修改的電壓為燈絲電壓；電壓顯示值為000.0V；最后一位在閃動(dòng)，表明現(xiàn)在修改位為最后一位； 3“手動(dòng)”指示燈亮，表明儀器工作正常。 2氬元素的第一激發(fā)電位測(cè)量 （1）手動(dòng)測(cè)試 下面是用智能夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)主機(jī)單獨(dú)完成夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)。 a、設(shè)置儀器為“手動(dòng)”工作狀態(tài)，按“手動(dòng)/自動(dòng)”鍵，“手動(dòng)”指示燈亮。 b、設(shè)定電流量程 按下電流量程10A鍵，對(duì)應(yīng)的量程指示燈點(diǎn)亮。 c、設(shè)定電壓源的電壓值，用 / ，鍵完成，需設(shè)定的電壓源有：燈絲電壓VF、第一加速電壓VG1K、拒斥電壓VG2A 。設(shè)定狀態(tài)參見(jiàn)隨機(jī)提供的工作條件（見(jiàn)機(jī)箱）。 d、按下“啟動(dòng)”鍵，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始。用 / ，鍵完成 VG2K電壓值的調(diào)節(jié)，從0.0V起，按步長(zhǎng)1V（或0.5V）的電壓值調(diào)節(jié)電壓源VG2K，仔細(xì)觀察夫蘭克一赫茲管的板極電流值IA的變化（可用示波器觀察），讀出IA的峰、谷值和對(duì)應(yīng)的VG2K值。（一般取IA的谷在4一5個(gè)為佳）。e、重新啟動(dòng) 在手動(dòng)測(cè)試的過(guò)程中，按下啟動(dòng)按鍵，VG2K的電壓值將被設(shè)置為零，內(nèi)部存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)被清除，示波器上顯示的波形被清除，但VF、VG1K、VG2A、電流檔位等的狀態(tài)不發(fā)生改變。這時(shí)，操作者可以在該狀態(tài)下重新進(jìn)行測(cè)試，或修改狀態(tài)后再進(jìn)行測(cè)試。（2）自動(dòng)測(cè)試 智能夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)儀除可以進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試外，還可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)儀將自動(dòng)產(chǎn)生VG2K掃描電壓，完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程；將示波器與實(shí)驗(yàn)儀相連接，在示波器上可看到夫蘭克一赫茲管板極電流隨VG2K電壓變化的波形。 a、自動(dòng)測(cè)試狀態(tài)設(shè)置 自動(dòng)測(cè)試時(shí)VF、VG1K、VG2A及電流檔位等狀態(tài)設(shè)置的操作過(guò)程，夫蘭克一赫茲管的連線操作過(guò)程與手動(dòng)測(cè)試操作過(guò)程一樣。 b、VG2K掃描終止電壓的設(shè)定 進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)儀將自動(dòng)產(chǎn)生VG2K掃描電壓。實(shí)驗(yàn)儀默認(rèn)VG2K掃描電壓的初始值為零，VG2K掃描電壓大約每04秒遞增02伏。直到掃描終止電壓。 要進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，必須設(shè)置電壓VG2K的掃描終止電壓。 首先，將 “手動(dòng)自動(dòng)”測(cè)試鍵按下，自動(dòng)測(cè)試指示燈亮；按下VG2K電壓源選擇鍵，VG2K電壓源選擇指示燈亮；用 / ，鍵完成 VG2K電壓值的具體設(shè)定。VG2K設(shè)定終止值建議以不超過(guò)8 0V為好。 c、自動(dòng)測(cè)試啟動(dòng) 將電壓源選擇選為VG2K，再按面板上的“啟動(dòng)”鍵，自動(dòng)測(cè)試開(kāi)始。在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，觀察掃描電壓VG2K與夫蘭克一赫茲管板極電流的相關(guān)變化情況。(可通過(guò)示波器觀察夫蘭克一赫茲管板極電流IA隨掃描電壓VG2K變化的輸出波形）在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，為避免面板按鍵誤操作，導(dǎo)致自動(dòng)測(cè)試失敗，面板上除“手動(dòng)自動(dòng)”按鍵外的所有按鍵都被屏蔽禁止。 d、自動(dòng)測(cè)試過(guò)程正常結(jié)束 當(dāng)掃描電壓VG2K的電壓值大于設(shè)定的測(cè)試終止電壓值后，實(shí)驗(yàn)儀將自動(dòng)結(jié)束本次自動(dòng)測(cè)試過(guò)程，進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢工作狀態(tài)。 測(cè)試數(shù)據(jù)保留在實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)的存貯器中，供數(shù)據(jù)查詢過(guò)程使用，所以，示波器仍可觀測(cè)到本次測(cè)試數(shù)據(jù)所形成的波形。直到下次測(cè)試開(kāi)始時(shí)才刷新存貯器的內(nèi)容。 e、自動(dòng)測(cè)試后的數(shù)據(jù)查詢 自動(dòng)測(cè)試過(guò)程正常結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢工作狀態(tài)。這時(shí)面板按鍵除測(cè)試電流指示區(qū)外，其他都己開(kāi)啟。自動(dòng)測(cè)試指示燈亮，電流量程指示燈指示于本次測(cè)試的電流量程選擇檔位；各電壓源選擇按鍵可選擇各電壓源的電壓值指示，其中VF、VG1K、VG2A三電壓源只能顯示原設(shè)定電壓值，不能通過(guò)按鍵改變相應(yīng)的電壓值。用 / ，鍵改變電壓源VG2K的指示值，就可查閱到在本次測(cè)試過(guò)程中，電壓源VG2K的掃描電壓值為當(dāng)前顯示值時(shí)，對(duì)應(yīng)的夫蘭克一赫茲管板極電流值IA的大小，讀出IA的峰、谷值和對(duì)應(yīng)的VG2K值（為便于作圖，在IA的峰、谷值附近需多取幾點(diǎn)）。f、中斷自動(dòng)測(cè)試過(guò)程 在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，只要按下“手動(dòng)自動(dòng)鍵”，手動(dòng)測(cè)試指示燈亮，實(shí)驗(yàn)儀就中斷了自動(dòng)測(cè)試過(guò)程，回復(fù)到開(kāi)機(jī)初始狀態(tài)。所有按鍵都被再次開(kāi)啟工作。這時(shí)可進(jìn)行下一次的測(cè)試準(zhǔn)備工作。 本次測(cè)試的數(shù)據(jù)依然保留在實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)的存貯器中，直到下次測(cè)試開(kāi)始時(shí)才被清除。所以，示波器仍會(huì)觀測(cè)到部分波形。 g、結(jié)束查詢過(guò)程回復(fù)初始狀態(tài) 當(dāng)需要結(jié)束查詢過(guò)程時(shí)，只要按下“手動(dòng)自動(dòng)”鍵，手動(dòng)測(cè)試指示燈亮，查