弗蘭克-赫茲實驗

弗蘭克-赫茲實驗第一頁，共21頁。弗蘭克-赫茲實驗基礎部-物理實驗室第二頁，共21頁。弗蘭克-赫茲簡介海因里希?魯?shù)婪?赫茲，德國物理學家，于1888年首先證實了電磁波的存在，并對電磁學有很大貢獻，故頻率的國際單位制單位“赫茲”以他的名字命名。第三頁，共21頁。弗蘭克-赫茲實驗簡介

原子能級的存在最早是從光譜學的研究中推斷出來的。1914年，弗蘭克和赫茲采用慢電子和稀薄氣體原子碰撞的方法，測得原子吸收或發(fā)射的能量是不連續(xù)的，從而證明了原子能級的存在，弗蘭克和赫茲也由于這一杰出的貢獻共同獲得了1925年的諾貝爾物理學獎。第四頁，共21頁。實驗目的通過測定（氬）原子的第一激發(fā)電位U0，證明玻爾原子能級的存在，了解原子能級的量子化結構。了解夫蘭克－赫茲實驗的設計思想和實驗方法。第五頁，共21頁。實驗原理——玻爾原子模型玻爾關于原子理論的兩個基本假設：1）定態(tài)假設：原子只能較長久地停留在一些定態(tài)，原子在定態(tài)時不發(fā)射也不吸收能量，各定態(tài)的能量是不連續(xù)的值E1、E2、E3、…。2）躍遷假設：原子從一個定態(tài)E2躍遷到另一個定態(tài)E1時，要輻射出一個光子，其頻率是一定的，滿足：hυ=E2-E1第六頁，共21頁。實驗原理——玻爾原子模型一般情況下，原子的最外層電子都是處于基態(tài)的。當原子受到外部能量的作用后，其最外層電子就會躍遷到高能級上，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子，eU0=E2-E1。激發(fā)態(tài)原子極不穩(wěn)定，在極短時間內就會重新躍遷回基態(tài)，并將其吸收的能量以光子形式釋放出去,hυ=E2-E1。每一種躍遷都會發(fā)射出一種波長的光，在光譜中相應的產生一種譜線。第七頁，共21頁。元素汞（Hg）鈉（Na）鉀（K）鋰（Li）鎂（Mg）氖（Ne）氬（Ar）U0（V）4.92.121.631.843.218.613.1l（?）25375890

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76996707.845716402.28115.3第一激發(fā)電位eU0=E2-E1hυ=E2-E1實驗原理——第一激發(fā)電位第八頁，共21頁。IA-UG2K曲線

弗蘭克－赫茲實驗線路原理圖氬原子UG2K=U1電子與原子第一次碰撞，將eU0能量傳遞給原子UG2K=U2UG2K=U3E≤e?VG2A時：電子未能穿越板極A形成電流，柵極電流為零！E≥e?VG2A時：電子穿越板極A形成電流，且隨著VG2K的增大，能夠穿越的電子數(shù)量越來越多，電流IA增大！與原子碰撞交出能量的電子數(shù)量增多，能量損失后未能穿越板極A，電流減小！與原子碰撞后剩余能量足以穿越板極A的電子數(shù)量增多，電流增大！實驗原理——弗蘭克赫茲實驗第九頁，共21頁。第一激發(fā)電位與電流變化的關系IA-UG2K曲線U0U0U0U0U0原子第一激發(fā)電位等于相鄰兩個峰電流（或谷電流）對應的電壓差。第十頁，共21頁。電流顯示電流顯示檔位轉換電壓顯示電壓顯示檔位轉換電壓調節(jié)第十一頁，共21頁。左右位置選擇按鈕增大減小調節(jié)按鈕第十二頁，共21頁。第十三頁，共21頁。第十四頁，共21頁。1、各旋鈕逆時針旋至底，接通導線，檢查無誤后開機，預熱5min?！倦娮右莩鲞^程與熱能有關，需要一定的穩(wěn)定時間，故需預熱！】2、自動/手動測量：(1)“自動/手動”；(2)參數(shù)設置：參考機箱蓋上提供數(shù)據(jù)；(3)“啟動/增加VG2K

電壓”；(4)查閱數(shù)據(jù)，記錄谷底或峰尖對應VG2K

電壓，并計算第一激發(fā)電位U0。3、按下“自動/手動”鍵，將數(shù)據(jù)清零。實驗內容第十五頁，共21頁。1、為什么相鄰電流峰值對應的電壓之差就是第一激光電位？答：當電子能量達到eUG2K(UG2K>U0)時，與所測原子（例如氬原子）碰撞從而失去eU0的能量，由于存在拒斥電壓，電子將不能夠穿越板極形成電流，電流下降形成第一個峰。當電子能量UG2K>2U0時，電子在G2K之間又會因第二次非彈性碰撞而失去能量2eU0，于是出現(xiàn)第二個峰值。根據(jù)上述分析可知，能量轉移隨著加速電壓的增加而呈現(xiàn)周期性的變化，所以電流峰值對應的電壓差就是第一激發(fā)電位。思考題第十六頁，共21頁。2、谷電流為什么不為零？答：由于電子在柵極G2附近跟氬原子發(fā)生碰撞存在一定的幾率，總有一部分電子在柵極附近未與氬原子發(fā)生碰撞而直接到達A極形成電流，因此谷電流不等于零。3、為什么隨著UG2K的增加，IA的峰值越來越高？答：因為隨著UG2K的增加，能夠穿越A極的電子數(shù)量越來越多，電流IA越來越大。思考題第十七頁，共21頁。4、為什么第一激發(fā)電位（~11.6V）不等于曲線第一個峰的電壓（~22V）？答：a、拒斥電壓的存在（~8V）b、F-H管的陰極K和柵極G2往往由不同的金屬材料制作，因此會產生接觸電勢差，使電子實際的加速電壓不等于UG2K，這將影響F-H實驗曲線第一個峰的位置。5、為什么曲線的峰值是緩慢過渡的，而不是瞬間達到的？分析原因：燈絲發(fā)射電子的初動能并不是完全確定的一個值，而是滿足一個正態(tài)分布，電子經加速后的動能也存在一個分布，所以導致峰電流和谷電流存在一定的寬度。思考題第十八頁，共21頁。電磁波譜與可見光譜第十九頁，共21頁。趣聞玻爾原子模型——1913年諾貝爾物理學獎！弗蘭克-赫茲實驗——利用汞蒸氣實驗，發(fā)現(xiàn)每隔4.9V電勢差，板極電流就突降一次。但是他們認為這是因為4.9V的電勢差引起了汞離子的電離，這恰與當時比較盛行的“斯塔克理論”相恰和。于是他們在論文中明確表示：“我們的實驗結果不符合玻爾理論”。盡管如此，玻爾于1915年堅持指出“弗蘭克-赫茲實驗的4.9V正是我的能級理論中預言的汞原子的第一激發(fā)電位！”1919年，弗蘭克與赫茲才表示同意玻爾觀點，并因此獲得1925年諾貝爾物理學獎！弗蘭克在諾獎領獎詞中講道：“在用電子碰撞方法證明向原子傳遞的能量是量子化的這一科學研究的發(fā)展中，我們所做的一部分工作犯了許