夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)Ar管

1、PAGE PAGE 3夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)1913年玻爾模型提出后，成功地解釋了氫光譜，從而解開了近三十年之久的巴爾末公式之謎，以及對(duì)類氫離子光譜的成功解釋。當(dāng)這一消息傳到愛因斯坦那里時(shí)，他也心悅城服并稱玻爾的理論是一個(gè)“偉大的發(fā)現(xiàn)”。但任何一個(gè)重要的物理模型要上升為理論必須得到兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。夫蘭克和赫茲在玻爾理論發(fā)表后不久，就用了一種獨(dú)立于光譜研究的方法直接驗(yàn)證了玻爾理論，正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)使我們感受到了原子內(nèi)部這個(gè)迄今為止人類無法看到的美妙世界的躍動(dòng)。1925年夫蘭克和赫茲共同分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。通過這一實(shí)驗(yàn)可以了解原子內(nèi)部能量量子化的情況，學(xué)習(xí)和體驗(yàn)夫蘭克和赫茲研究氣體放電現(xiàn)象中低能電

2、子和原子間相互作用的實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)的原理和方法。2、測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位，驗(yàn)證原子能級(jí)的存在，研究原子內(nèi)部能量的量子化?！緦?shí)驗(yàn)原理】根據(jù)玻爾理論原子只能處在某一些狀態(tài)，每一狀態(tài)對(duì)應(yīng)一定的能量，其數(shù)值彼此是分立的，原子在能級(jí)間進(jìn)行躍遷時(shí)吸收或發(fā)射確定頻率的光子，當(dāng)原子與一定能量的電子發(fā)生碰撞可以使原子從低能躍遷到高能級(jí)（激發(fā)）如果是基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的躍遷則有：圖（1）電子在電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能和原子碰撞時(shí)交給原子，原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài),V1稱為原子第一激發(fā)電勢(shì)（位）。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)定氬原子的第一激發(fā)能,其標(biāo)準(zhǔn)值約為11.4eV，因此只需幾十伏電壓就能

3、觀察到多個(gè)峰值。于四極式的F-H碰撞管，實(shí)驗(yàn)線路連接如圖（1）所示。圖中：VF為燈絲加熱電壓，VG1K為正向小電壓，VG2K為加速電壓，VG2P為減速電壓。F-H管中的電位分布如圖（2）所示。圖（2）圖（2）電子由陰極發(fā)出經(jīng)電場(chǎng)VG2K加速趨向陽極，只要電子能量達(dá)到克服減速電場(chǎng)VG2P就能穿過柵極G2到達(dá)板極P形成電子流IP。由于管中充有氣體原子，電子前進(jìn)的途中要與原子發(fā)生碰撞。如果，電子能量小于第激發(fā)能eV1，它們之間的碰撞是彈性的，根據(jù)彈性碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量和動(dòng)能守恒定理不難推出電子損失的能量極小，電子能如期地到達(dá)陽極；如果電子能量達(dá)到或超過eV1,電子與原子將發(fā)生非彈性碰撞，電子把能量eV

4、1傳給氣體原子，要是非彈性碰撞發(fā)生在G2柵極附近，損失了能量的電子將無法克服減速場(chǎng)VG2P到達(dá)板極。這樣，從陰極發(fā)出的電子隨著VG2K從零開始增加板極上將有電流出現(xiàn)并增加，如果加速到G2柵極的電子獲得等于或大于eV1的能量將出現(xiàn)非彈性碰撞而出現(xiàn)IP的第一次下降，隨著VG2K增加，電子與原子發(fā)生非彈性碰撞的區(qū)域向陰極方向移動(dòng)，經(jīng)碰撞損失能量的電子在趨向陽極的路途中又得到加速而開始有足夠的能量克服VG2P減速電壓到達(dá)板極形成電流。IP隨VG2K增加又開始增加，而如果VG2K的增加使那些經(jīng)歷過非彈性碰撞的電子能量又達(dá)到eV1則電子又將與原子發(fā)生非彈性碰撞造成IP的又一次下降。在VG2K較高的情況下，

5、電子在趨向陽極的路途中將與原子發(fā)生多次非彈性碰撞。每當(dāng)VG2K造成的最后一次非彈性碰撞區(qū)落在G2柵極附近就會(huì)使IPVG2K曲線出現(xiàn)下降，如此反復(fù)將出現(xiàn)如圖（3）的曲線 圖 （3）圖（3）曲線的極大極小出現(xiàn)呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，它是能量選擇性吸收的結(jié)果，也是原子能量量子化的體現(xiàn)，就圖（3）的規(guī)律來說，每相鄰極大或極小值之間的電位差為第一激發(fā)電勢(shì)（位）。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】Ar原子第一激發(fā)電位的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)定夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)管的IPVG2K曲線，觀察原子能量量子化情況，并由此求出Ar充氣管中原子的第一激發(fā)電位1、按圖四連接電路2、加熱控溫部分充氬F-H管不需要加熱。3、其它部分 圖（4）實(shí)驗(yàn)儀器的整體連線可見圖

6、（4）（適合于第一激發(fā)電位的測(cè)量）（1）接線時(shí)暫不接通兩臺(tái)儀器電源。（2）將電源部分的“VF”調(diào)節(jié)電位器、掃描電源部分的“手動(dòng)調(diào)節(jié)” 電位器旋到最小（逆時(shí)針方向）；掃描選擇置“手動(dòng)”擋；極性選擇置（）擋；微電流放大器量程對(duì)充氬管可置10-7或10-8A擋。（3）據(jù)提供的F-H管參考工作電壓數(shù)據(jù)，分別調(diào)節(jié)好VF，VG1k、VG2p，預(yù)熱3分鐘（要求記錄這些工作電壓）。（4）手動(dòng)工作方式粗測(cè)：緩慢調(diào)節(jié)“手動(dòng)調(diào)節(jié)” 電位器，增大加速電壓；并注意觀察微電流放大器指示，在電流表上應(yīng)可觀察到峰谷信號(hào)。手動(dòng)工作方式測(cè)量數(shù)據(jù)：緩慢調(diào)節(jié)“手動(dòng)調(diào)節(jié)” 電位器；加速電壓每增加1V或2V，記錄一次電流值。加速電壓對(duì)充氬管最大增加到70V為止。 b) 對(duì)充汞氬管,加速電壓達(dá)到6070V時(shí),約有5個(gè)峰出現(xiàn)。四、【注意事項(xiàng)】（1）在測(cè)量過程中，當(dāng)加速電壓加到較大時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電流表突然大幅度量程過載，應(yīng)立即將加速電壓減小到零，然后檢查燈絲電壓是否偏大，或適當(dāng)減小電壓（每次減小0.1V0.2V為宜）。再進(jìn)行一次全過程測(cè)量。若在全過程測(cè)量中，電流表指示偏小，可適當(dāng)增大燈絲電壓（每次增大