夫蘭克-赫茲實驗

1、夫蘭克夫蘭克-赫茲實驗赫茲實驗普通物理普通物理( (近代物理近代物理) )實驗實驗背景簡介 1914年，德國格丁根大學的夫蘭克（JFrank)和哈雷大學的赫茲(G.Hertz）采用慢電子轟擊原子的方法，利用兩者的非彈性碰撞將原子激發(fā)到較高能級。直接證明了原子內(nèi)部量子化能級的存在，給玻爾的原子理論提供了直接的而且是獨立于光譜研究方法的實驗證據(jù)。因此他們獲得了1925年的諾貝爾物理學獎。夫蘭克赫茲夫蘭克夫蘭克- -赫茲實驗赫茲實驗實驗目的實驗目的實驗儀器實驗儀器思考問題思考問題實驗原理實驗原理實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理注意事項注意事項實驗目的實驗目的 1. 了解夫蘭克-赫茲實驗的原理和方法。

2、 2. 測定氬原子的第一激發(fā)電位，驗證原子能級的存在。 實驗儀器 微機夫蘭克-赫茲實驗儀1.控制軟件主界面 2.夫蘭克-赫茲實驗管接線盒 3.夫蘭克-赫茲實驗儀控制箱 實驗原理 一、玻爾的原子模型理論： 1. 原子只能較長地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)(簡稱為能級)。原子處在這些能級時，不發(fā)射或吸收能量；原子在各能級時有確定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的能量不論通過什么方式發(fā)生改變，它只能從一個能級躍遷到另一個能級。 2.原子從一個能級躍遷到另一個能級而發(fā)射或吸收輻射時，輻射頻率是一定的。如果用Em和En代表有關兩能級的能量的話，輻射的頻率 由如下關系確定： nmEEh 二、慢電子轟擊： 為了使原子

3、從低能級向高能級躍遷，最簡單的方法可以通過讓具有一定能量的電子與原子相碰撞進行能量交換的辦法來實現(xiàn)。初速度為零的電子經(jīng)加速電場獲得能量eVC, 如以E1代表氣體原子的基態(tài)能量、E2代表原子的第一激發(fā)態(tài)能量，那么當該氣體原子接受從電子傳遞來的能量恰好為 時，氣體原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。相應的電勢差VC稱為該氣體元素的第一激發(fā)電勢(或稱中肯電勢)。測定出這個電勢差VC，就可以求出基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差。12CeVEE 三、夫蘭克-赫茲管結構： 燈絲電壓Vf給燈絲和陰極K加熱，熱陰極K發(fā)出電子，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K，用于消除陰極電子散射的影響，陰極K和第二柵極G2

4、之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2間設置減速電壓（拒斥電壓）VG2A。夫蘭克-赫茲管結構四、夫蘭克-赫茲曲線： 當電子穿越KG2空間進入G2A空間時，如果有較大的能量(eVG2A)，就能沖過拒斥電場而到達陽極形成陽極電流IA；如果電子在KG2空間與氬原子發(fā)生非彈性碰撞，把自己一部分能量給了氬原子，電子本身所剩余的能量就很小，以致通過第二柵極后已不足以克服拒斥電場而被擋回，這時通過電流計的電流就將顯著減小。逐漸增大VG2K值，就能觀察到如圖所示的IAVG2K曲線（夫蘭克-赫茲曲線）。夫蘭克-赫茲曲線實驗內(nèi)容1. 測量氬原子的第一激發(fā)電位（1）將所有電位器逆時針旋到底，確認儀

5、器電源處于關閉狀態(tài)，按連線原理圖將儀器電壓輸出旋鈕和夫蘭克赫茲管對應旋鈕相連；（2）檢查無誤后，打開電源，工作方式選擇“程控”，并預熱數(shù)分鐘；（3）設定好燈絲電壓、第一柵極電壓、拒斥電壓；（4）啟動控制軟件，采用程控方式聯(lián)機自動掃描IAVG2K關系曲線；（5）打印IAVG2K關系曲線；（6）在手動方式下，調(diào)節(jié)步進電壓VG2K，觀察IA隨VG2K的變化關系。2. 分析燈絲電壓、第一柵極電壓、拒斥電壓三參數(shù)對實驗結果的影響。數(shù)據(jù)處理1. 根據(jù)計算機顯示的IAVG2K曲線，讀取各峰所對應的電壓值，用逐差法求出氬原子第一激發(fā)電位，數(shù)據(jù)記入下表，并與公認值VC0=11.5V伏比較，求誤差。 峰位123456測量值峰值峰值峰值峰值峰值峰值VG2K/VIA/nA2. 通過改變燈絲電壓、第一柵極電壓、拒斥電壓，觀察三參數(shù)對實驗曲線的影響，分析三參數(shù)對實驗結果影響的微觀機理。注意事項1. 按說明書認真連接控制箱和夫蘭克-赫茲管，嚴禁違規(guī)操作，避免發(fā)生短路，損壞儀器。2. 柵壓和燈絲電壓不能過大，以免夫蘭克赫茲管電離而損壞儀器。3. 燈絲電壓不能過低或過高，以免陰