夫蘭克-赫茲試驗

1、實驗三十一夫蘭克 赫茲實驗實驗內(nèi)容1了解夫蘭克 赫茲實驗的原理和方法。2學(xué)習(xí)測定汞原子第一激發(fā)電位的方法。教學(xué)要求證明原子能級的存在，加強對能級概念的理解。學(xué)習(xí)處理數(shù)據(jù)的方法。實驗器材：夫蘭克 赫茲實驗儀溫度計（ 250）本世紀(jì)初，人類對原子光譜的研究逐步深入，人們發(fā)現(xiàn)盧瑟福于1911 年提出的原子核結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論存在深刻的矛盾。按照經(jīng)典理論，原子應(yīng)當(dāng)是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，原子光譜應(yīng)為連續(xù)光譜。但事實上，原子是穩(wěn)定的，原子光譜是具有一定規(guī)律性的分離譜線。為了解決這一矛盾，丹麥物理學(xué)家玻爾（N.Bohr ）根據(jù)光譜學(xué)研究的成就和普朗克、愛因斯坦的量子論思想，在盧瑟福核式模型基礎(chǔ)上，把量子概

2、念應(yīng)用于原子系統(tǒng)，提出了半經(jīng)典的氫原子理論，指出原子中存在能級。該模型的預(yù)言在氫光譜的觀察中取得了顯著成功。根據(jù)玻爾理論，原子光譜中的每條譜線表示原子從一個能級躍遷到另一個較低能級時產(chǎn)生的輻射。為此，1922 年玻爾獲諾貝爾物理獎。為了證明原子中電子的運動存在一系列穩(wěn)定狀態(tài) 能級， 1914年，德國物理學(xué)家夫蘭克 (J.Franck)和赫茲 (G.Hertz) 巧妙地改進(jìn)了勒納用來測量電離電位的實驗裝置。他們同樣采用慢電子（幾到幾十電子伏）與單原子氣體碰撞后電子狀態(tài)的變化（勒納觀察的是離子）。他們用此裝置測定了汞原子的第一激發(fā)電位，后又改進(jìn)電路測出了汞原子的較高激發(fā)電位及至電離電位，得到了與原

3、子光譜測量一致的結(jié)果，從實驗上證實了原子內(nèi)部能量的分立、不連續(xù)性，驗證了玻爾理論，為量子理論的創(chuàng)立奠定了實驗基礎(chǔ)。這兩位物理學(xué)家于 1925 年獲諾貝爾物理獎。實驗原理：根據(jù)玻爾理論的基本假設(shè)，原子只能處于一系列穩(wěn)定狀態(tài)（簡稱定態(tài)）中，每一穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)一定的能量值En (n=1,2, )，這些能量值是彼此分立的，不連續(xù)的。原子從一個穩(wěn)定態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定態(tài)時，就吸收或放出一定頻率的電磁輻射。輻射頻率 取決于兩定態(tài)能量之差 hEn Em 。原子能量狀態(tài)的改變可以通過具有一定動能的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換來實現(xiàn)。夫蘭克 赫茲實驗就是通過直接測量出電子碰撞時傳遞的能量值來證實原子能級存在的。夫蘭

4、克赫茲實驗的原理圖如圖31-1 所示。電子和原子的碰撞是在夫蘭克 赫茲實驗管中進(jìn)行的，夫蘭克 赫茲管是在抽成真空的電子管中充以某種氣體，電子由電陰極發(fā)出，陰極 K 與柵極 G 之間的電壓 UGK 是使電子加速的；在板極A 與柵極 G之間加的是反向電壓，它使電子減速，用于探測電子通過KG 后的狀態(tài)。這樣，電子在KG空間被加速時將會與被測氣體原子發(fā)生碰撞。按玻爾理論，被測氣體原子只能接收與其各能級之間能量差相等的能量，而不能接受其他量值的能量。如果電子的動能低于原子第一激發(fā)能量，它與氣體原子的碰撞將是彈性碰撞，電子幾乎不損失能量，因而可能穿過反向電壓 U AG 達(dá)到板極 A ，被電流計 pA 檢出

5、；如果電子加速后具有的動能足夠大，足以使氣體原子產(chǎn)生激發(fā)的話，電子將與氣體原子產(chǎn)生非彈性碰撞，把其一部分動能傳給原子，使原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，電子剩下的能量將不足以克服GA 之間的反向電壓，結(jié)果將引起板極電流IA 急劇下降。隨著電子繼續(xù)加速和減速，I A 將隨 UGK 周期性的變化， I A-UGK 曲線兩峰值之間的電位差就是被測氣體原子的第一激發(fā)電位。實驗觀察到的I A-UGK 曲線如圖31-2所示。它反映了在KG空間中氣體原子與電子間進(jìn)行能量交換的情況。pAAAHgGVK圖 31-1 夫蘭克 赫茲實驗原理圖被測氣體可以是惰性氣體（如氖、氬氣），也可以是汞蒸氣。由于常溫下汞為液體，因而

6、需要用恒溫加熱爐，使管中有一定的汞飽和蒸氣，其中的原子密度可通過調(diào)節(jié)加熱爐的恒溫溫度來選擇，溫度越高管中汞原子密度越大，電子與原子碰撞的機會越多。本實驗就是要通過實驗測定汞原子的第一激發(fā)電位（公認(rèn)值為4.9 伏），進(jìn)而證實原子能級的存在。原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。實驗中被慢電子轟擊到第一激發(fā)態(tài)的原子要跳回基態(tài)，應(yīng)有eU0（ U0 是汞的第一激發(fā)電位）電子伏特的能量釋放，產(chǎn)生波長為 的光波。即eU 0hc /hc6.6310343.00108o( m) 2537( A)eU01.610 194.9實驗中可觀察到夫蘭克 赫茲管中有淡藍(lán)色的光發(fā)出，光譜分析證實了這一波長光波的存在。假如電子在被加速過

7、程中獲得的動能eUGK足以補償原子束縛其電子的勢能eUZ時，當(dāng)這樣的電子與原子碰撞時，就能從原子中分離出一個電子，使原子變成離子。由于板極電位為負(fù)，電子在碰撞后到不了板極，而正的離子才能到達(dá)板極形成板極電流 IA 而被電流計檢出。通過測量這個電流的變化即可測出該原子的第一電離電位。汞的電離電位是 UZ=10.39V 。操作步驟1.測定汞原子的第一激發(fā)電位接通裝有夫蘭克 赫茲管的加熱爐電源，調(diào)節(jié)加熱爐右側(cè)的控溫旋鈕（順時針旋轉(zhuǎn)為升溫），使溫度計上讀出的爐溫逐漸升高 ,直至穩(wěn)定在 160左右。(2) 在加熱的同時，接通微電流放大器，使之預(yù)熱。先將“工作選擇”開關(guān)撥向“M ”(鋸齒波 )，電壓表指示

8、掃描電壓，此時可觀察到柵壓電表指針緩慢地來回擺動。然后將“工作選擇”開關(guān)撥向“DC”，預(yù)熱 20 分鐘左右。接著將“工作狀態(tài)”旋鈕撥在“激發(fā)”（ R）位置上，“倍率”旋鈕撥在1 檔位上，調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕使微安表指零；隨后再將“倍率”旋鈕撥至“ Full ”（ 滿度）檔，使微安表滿度（使 A 表指針指在最大刻度上） ，“零點”和“滿度”要反復(fù)進(jìn)行校準(zhǔn)。爐溫穩(wěn)定在 160左右后，測量放大器“工作選擇”開關(guān)仍撥在“ DC”，將“柵極電壓”（ Ug）旋鈕逆時針轉(zhuǎn)至最小。用專用線連接好各部分實驗儀器的對應(yīng)接線柱。將放大器“倍率”旋鈕撥在 10-5 或 10-6 檔上，“工作狀態(tài)”旋鈕仍處在“激發(fā)”位置，

9、緩慢增加“柵極電壓”旋鈕，仔細(xì)觀察微安表的讀數(shù)（當(dāng)發(fā)現(xiàn)微安表滿度時，將“倍率”旋鈕調(diào)大一檔，繼續(xù)測量） 。每隔 0.5 伏記錄一次 IA 的讀數(shù)。為方便作圖，在峰谷值附近應(yīng)多測幾組數(shù)據(jù)。(5)以 U GK 為橫坐標(biāo)， I A 為縱坐標(biāo)作出I A-U GK 曲線，并找出各相鄰的峰值處的電勢差。改變爐溫，在 180時重復(fù)上述步驟，將所得的數(shù)據(jù)填入表格，并在同一張坐標(biāo)紙上作 I A-U GK 曲線，進(jìn)行比較。實驗后，將“工作選擇”和“工作狀態(tài)”置O，“柵壓調(diào)節(jié)”至最小，先切斷加熱爐電源，待爐溫低于100之后再切斷放大器電源，拆除H、 K 連線。2.數(shù)據(jù)處理：取各峰值電壓，用逐差法計算汞原子第一激發(fā)電位，并與理論值比較。注意事項1測試時，隨著柵極電壓的增加，微安表會逐漸達(dá)到滿偏。此時應(yīng)將“倍率”旋鈕調(diào)大一檔，繼續(xù)測量，直至出現(xiàn)輝光為止。2調(diào)節(jié)柵壓過程中，要注意微安表量程，及時改變“倍率”旋鈕。同時，還要注意觀察夫蘭克 赫茲管，一旦柵、陰極之間出現(xiàn)藍(lán)白色輝光，表示汞原子被電離，應(yīng)立即降低 UGK ，即將“柵壓調(diào)節(jié)”至最小。3溫度計的水銀泡應(yīng)與柵、陰極中間位置相齊。4加熱爐與微電流放大器上各對應(yīng)電極切勿接錯或短路，以免燒毀儀器。5開始預(yù)熱時，不要接線，以防凝結(jié)在燈絲上的汞滴造成短路。6加熱爐溫度很高，接線時應(yīng)盡量遠(yuǎn)離爐體，避免灼傷。7實