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)

1、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（ N Bohr ）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(xiàn)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（J Franck ）和赫茲（G Hertz ）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

2、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(chēng)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

3、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(huà)，輻射的頻率決定于如下關(guān)系：hEmEn（ 1 ）式中，普朗克常數(shù) h = 6 63 ×10- 34 J·sec 。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)。UeU 。當(dāng)具有這種能設(shè)初速度為零的電子在電位差為的加速電場(chǎng)作用下，獲得能量00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

4、會(huì)發(fā)生能量交換。如以 E代表氬原子的基態(tài)能量、E 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12傳遞來(lái)的能量恰好為eU = E E（2 ）021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(chēng)為氬的第一激發(fā)電位（或稱(chēng)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 G之間的加速電壓 U使電子加速。在板極 A 和第二柵極 G 之間加有反向拒斥電壓2G2K2U 。管內(nèi)空間電位分布如圖二

5、所示。當(dāng)電子通過(guò)KG 2空間進(jìn)入 GA2空間時(shí)，如果有較大G2Ae的能量（ UG2A ），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KG 2 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(huà)，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U GK2 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(huà)，就能觀察到如圖三所示的IAUGK2曲線(xiàn)。圖三所示的曲線(xiàn)反映了氬原子在 KG 2 空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。

6、當(dāng)KG 2空間電壓逐漸增加時(shí)，電子在KG 2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 將隨第二柵極電壓原子的第一激發(fā)電位UoU GK2的增加而增大（如圖三的oa 段）。當(dāng) KG 2 間的電壓達(dá)到氬時(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

7、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KG 2 間電壓是二倍氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在KG 2 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U n U （ n 1，2， 3 ?）（ 3）GK2o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I A UGK2 曲線(xiàn)。而各次板極電流I A下降相對(duì)應(yīng)的陰、柵極電壓差U n+ 1 一 U n 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

8、位（公認(rèn)值為 U o 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 U o 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eUo hhc（ 4）對(duì)于氬原子hc6.63 10 343.00 10 8m 1081 ?eU o1.6 10 1911.5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.

9、921.218.6(?)589876646707.845712500584.3640.258967699【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

10、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(xún)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

11、作：2.1 、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀連線(xiàn)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(xiàn)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) <3> 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

12、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) <4> 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)<6> 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

13、下鍵，電壓值只能修改為零。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】?jī)x器調(diào)試與觀察IAUG2K 曲線(xiàn)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(xiàn)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100mV 500mV/div。3調(diào)節(jié)水平SCALE 旋鈕，使顯示屏右下角指示Time 約為 200 S。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

14、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 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 000.0 A ；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10 A 鍵，對(duì)應(yīng)的量程指示燈點(diǎn)亮。c、

15、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 V F、第一加速電壓V G1K 、拒斥電壓 V G2A。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 V G2K 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V G2K ，仔細(xì)觀察夫蘭克一赫茲管的板極電流值I A的變化（可用示波器觀察），讀出 IA 的峰、谷值和對(duì)應(yīng)的V G2K 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

16、，但V 、 V、V、電流檔位等FG1KG2A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 V G2K 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) V F、 V G1K 、 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(xiàn)操作過(guò)程與手動(dòng)測(cè)試操作過(guò)程一樣。b、 V G2K 掃描終止電壓的設(shè)定V G2K 掃描電壓。實(shí)驗(yàn)儀默認(rèn)V G2

17、K 掃描電進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)儀將自動(dòng)產(chǎn)生壓的初始值為零， VG2K掃描電壓大約每0 4 秒遞增0 2 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V G2K 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V G2K 電壓源選擇鍵，V G2K電壓源選擇指示燈亮；用/， 鍵完成 V G2K 電壓值的具體設(shè)定。V G2K 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V G2K ，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

18、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 V G2K 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(xún)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(xún)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(xún)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(xún)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V F、V G1K 、V G2A 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V G2K 的指示值，就可查閱到在本次測(cè)試