11夫蘭克-赫茲實驗

夫蘭克-赫茲實驗,丹麥物理學(xué)家玻爾提出了一個氫原子模型,并指出原子存在能級。

該模型在預(yù)言氫光譜的觀看中取得了顯著的勝利。

依據(jù)玻爾的原子理論,原子光譜中的每根譜線表示原子從某一個較高能態(tài)向另一個較低能態(tài)躍遷時的輻射。

1914年,德國物理學(xué)家夫蘭克和赫茲對勒納用來測量電離電位的試驗裝置作了改進,他們同樣實行慢電子幾個到幾十個電子伏特與單元素氣體原子碰撞的方法,但著重觀看碰撞后電子發(fā)生什么變化勒納則觀看碰撞后離子流的狀況。

通過試驗測量,電子和原子碰撞時會交換某肯定值的能量,且可以使原子從低能級激發(fā)到高能級。

直接證明白原子發(fā)生躍變時汲取和放射的能量是分立的、不連續(xù)的,證明白原子能級的存在,從而證明白玻爾理論的正確。

由而獲得了1925年諾貝爾物理學(xué)獎金。

夫蘭克一赫茲試驗至今仍是探究原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一,試驗中用的“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法,己成為廣泛應(yīng)用的試驗技術(shù)。

激發(fā)電位玻爾提出的原子理論指出:1原子只能較長地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)簡稱為定態(tài)。

原子在這些狀態(tài)時,不放射或汲取能量:各定態(tài)有肯定的能量,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)生轉(zhuǎn)變,它只能從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)。

2原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)而放射或汲取輻射時,輻射頻率是肯定的。

假如用和分別代表有關(guān)兩定態(tài)的能量的話,輻射的頻率ν打算于如下關(guān)系:ν,,1,1,1式中,普朗克常數(shù)34-=66310為了使原子從低能級向高能級躍遷,可以通過具有肯定能量的電子與原子相碰撞進行能量交換的方法來實現(xiàn)。

設(shè)初速度為零的電子在電位差為0的加速電場作用下,獲得能量0。

當(dāng)具有這種能量的電子與淡薄氣體的原電子與原子比如十幾個乇的氬原子發(fā)生碰撞時,就會發(fā)生能量交換。

如以1代表氬原子的基態(tài)能量、2代表氬原子的第一激發(fā)態(tài)能量,那么當(dāng)氬原子汲取從電子傳遞來的能量恰好為0=2,1,1,2時,氬原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。

而且相應(yīng)的電位差稱為氬的第一激發(fā)電位或稱氬的中肯電位。

測定出這個電位差0,就可以依據(jù),2,2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。

2夫蘭克-赫茲試驗的原理夫蘭克一赫茲試驗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,陰極和其次柵極2之間的加速電壓2使電子加速。

在板極和其次柵極2之間加有反向拒斥電壓2。

管內(nèi)空間電位分布如圖二所示。

當(dāng)電子通過2空間進入2空間時,假如有較大的能量2,就能沖過反向拒斥電場而到達板極形成板極電流,為微電流計μ表檢出。

假如電子在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,電子本身所剩余的能量就很小,以致通過其次柵極后已不足于克服拒斥電場而被折回到其次柵極,這時,通過微電流計μ表的電流將顯著減小。

1試驗時,使2電壓漸漸增加并認真觀看電流計的電流指示,假如原子能級的確存在,而且基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間有確定的能量差的話,就能觀看到如圖三所示的,2曲線。

圖三所示的曲線反映了氬原子在2空間與電子進行能量交換的狀況。

當(dāng)2空間電壓漸漸增加時,電子在2空間被加速而取得越來越大的能量。

但起始階段,由于電壓較低,電子的能量較少,即使在運動過程中它與原子相碰撞也只有微小的能量交換為彈性碰撞。

穿過其次柵極的電子所形成的板極電流將隨其次柵極電壓2的增加而增大如圖三的段。

當(dāng)2間的電壓達到氬原子的第一激發(fā)電位時,電子在其次柵極四周與氬原子相碰撞,將自己從加速電場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,即使穿過了其次柵極也不能克服反向拒斥電場而被折回其次柵極被篩選掉。

所以板極電流將顯著減小圖三所示段隨著其次柵極電壓的增加,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而達到板極,這時電流又開頭上升段。

直到2間電壓是二倍氬原子的第一激發(fā)電位時,電子在2間又會因二次碰撞而失去能量,因而又會造成其次次板極電流的下降段,同理,凡在2,,1,2,31,1,3的地方板極電流都會相應(yīng)下跌,形成規(guī)章起伏變化的,2曲線。

而各次板極電流下降相對應(yīng)的陰、柵極電壓差+1一應(yīng)當(dāng)是氬原子的第一激發(fā)電位。

.本試驗就是要通過實際測量來證明原子能級的存在,并測出氬原子的第一激發(fā)電位公認值為,。

原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。

在試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),進行這種反躍遷時,就應(yīng)當(dāng)有電子伏特的能量放射出來。

反躍遷時,原子是以放出光量子的形式向外輻射能量。

這種光輻射的波長為,1,1,4,,,,,10,,10,,,,1081對于氬原子,,10,,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:-2智能夫蘭克一赫茲試驗儀,示波器,導(dǎo)線若干。

預(yù)備工作根據(jù)下圖所示,連接好各組工作電源線,認真檢查,確定無誤。

連接示波器,以直觀觀看-的波形變2化狀況打開電源,將試驗儀預(yù)熱20,30分鐘。

開機后的初始狀態(tài)如下:-7,試驗儀的“1”電流檔位指示燈亮,表明此時電流的量程為1檔;電流顯示值為0000.10;,試驗儀的“燈絲電壓”檔位指示燈亮,表明此時修改的電壓為燈絲電壓;;最終一位在閃動,表明現(xiàn)在修改位為最終一位;,“手動”指示燈亮。

表明儀器工作正常。

2氬元素的第一激發(fā)電位手動測量設(shè)置儀器為“手動”工作狀態(tài),按“手動自動”鍵,“手動”指示燈亮。

設(shè)定電流量程電流量程可參考機箱蓋上供應(yīng)的數(shù)據(jù),按下相應(yīng)電流量程鍵,對應(yīng)的量程指示燈點亮。

設(shè)定電壓源的電壓值設(shè)定值可參考機箱蓋上供應(yīng)的數(shù)據(jù),用,,鍵完成,需設(shè)定的電壓源有:燈絲電壓、第一加速電壓1、拒斥電壓2。

按下“啟動”鍵,試驗開頭。

用,,鍵完成2電壓值的調(diào)整,,按步長1的電壓值調(diào)整電壓源2,同步記錄值和對應(yīng)的值,同時認真觀看夫蘭克一赫茲管的板極電流值的變化2可用示波器觀看。

切記為保證明驗數(shù)據(jù)的唯一性電壓必需從小到大單向調(diào)整,不行在過程中反復(fù);記錄完成2最終一組數(shù)據(jù)后,馬上將電壓快速歸零。

2,按下啟動按鍵,2的電壓值將被設(shè)置為零,內(nèi)部存儲的測試數(shù)據(jù)被清除,示波器上顯示的波形被清除,但、1、2、電流檔位等的狀態(tài)不發(fā)生轉(zhuǎn)變。

這時,操可以在該狀態(tài)下重新進行測試,或修改狀態(tài)后再進行測試。

建議:手動測試-,進行一次或修改值再進行一次。

23氬元素的第一激發(fā)電位自動測量智能夫蘭克一赫茲試驗儀除可以進行手動測試外,還可以進行自動測試。

進行自動測試時,試驗儀將自動產(chǎn)生2掃描電壓,完成整個測試過程;將示波器與試驗儀相連接,在示波器上可看到夫蘭克一赫茲管板極電流隨2電壓變化的波形。

自動測試狀態(tài)設(shè)置自動測試時、1、2及電流檔位等狀態(tài)設(shè)置的操作過程,夫蘭克一赫茲管的連線操作過程與手動測試操作過程一樣。

2掃描終止電壓的設(shè)定進行自動測試時,試驗儀將自動產(chǎn)生2掃描電壓。

試驗儀默認2掃描電壓的初始值為零,2掃描電壓大約每04秒遞增02伏。

直到掃描終止電壓。

3要進行自動測試,必需設(shè)置電壓2的掃描終止電壓。

首先,將“手動,自動”測試鍵按下,自動測試指示燈亮;按下2電壓源選擇鍵,2電壓源選擇指示燈亮;用,,鍵完成2電壓值的詳細設(shè)定。

2設(shè)定終止值建議以不超過85為好。

自動測試啟動將電壓源選擇選為2,再按面板上的“啟動”鍵,自動測試開頭。

在自動測試過程中,觀看掃描電壓2與夫蘭克一赫茲管板極電流的相關(guān)變化狀況。

可通過示波器觀看夫蘭克一赫茲管板極電流隨掃描電壓2變化的輸出波形在自動測試過程中,為避開面板按鍵誤操作,導(dǎo)致自動測試失敗,面板上除“手動,自動”按鍵外的全部按鍵都被屏蔽禁止。

自動測試過程正常結(jié)束當(dāng)掃描電壓2的電壓值大于設(shè)定的測試終止電壓值后,試驗儀將自動結(jié)束本次自動測試過程,進入數(shù)據(jù)查詢工作狀態(tài)。

測試數(shù)據(jù)保留在試驗儀主機的存貯器中,供數(shù)據(jù)查詢過程使用,所以,示波器仍可觀測到本次測試數(shù)據(jù)所形成的波形。

直到下次測試開頭時才刷新存貯器的內(nèi)容。

自動測試后的數(shù)據(jù)查詢自動測試過程正常結(jié)束后,試驗儀進入數(shù)據(jù)查詢工作狀態(tài)。

這時面板按鍵除測試電流指示區(qū)外,其他都己開啟。

自動測試指示燈亮,電流量程指示燈指示于本次測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、1、2三電壓源只能顯示原設(shè)定電壓值,不能通過按鍵轉(zhuǎn)變相應(yīng)的電壓值。

用,,鍵轉(zhuǎn)變電壓源2的指示值,就可查閱到在本次測試過程中,電壓源2的掃描電壓值為當(dāng)前顯示值時,對應(yīng)的夫蘭克一赫茲管板極電流值的大小,記錄的峰、谷值和對應(yīng)的2值為便于作圖,在的峰、谷值四周需多取幾點。

中斷自動測試過程在自動測試過程中,只要按下“手動,自動鍵”,手動測試指示燈亮,試驗儀就中斷了自動測試過程,原設(shè)置的電壓狀態(tài)被清除。

全部按鍵都被再次開啟工作。

這時可進行下一次的測試預(yù)備工作。

本次測試的數(shù)據(jù)依舊保留在試驗儀主機的存貯器中,直到下次測試開頭時才被清除。

所以,示波器仍會觀測到部分波形。

結(jié)束查詢過程回復(fù)初始狀態(tài)當(dāng)需要結(jié)束查詢過程時,只要按下“手動,自動”鍵,手動測試指示燈亮,查詢過程結(jié)束,面板按鍵再次全部開啟。

原設(shè)置的電壓狀態(tài)被清除,試驗儀存儲的測試數(shù)據(jù)被清除,試驗儀回復(fù)到初始狀態(tài)。

建議:“自動測試”應(yīng)變化1次值,測量兩組-數(shù)據(jù)。

若試驗時間允許,還可變化、進行2次212-測試。

在坐標(biāo)紙上描繪各組-數(shù)據(jù)對應(yīng)曲線。

2計算每兩個相鄰峰或谷所對應(yīng)的之差值,并求出其平均值ū將試驗值ū與氬的第一激發(fā)電位0,022=,計算相對誤差,并寫出結(jié)果表達式。

0請對不同工作條件下的各組曲線和對應(yīng)的第一激發(fā)電位進行比較,分析哪些量發(fā)生了變化,哪些量基本不變,為什么,試驗儀面板簡介夫蘭克,赫茲試驗儀以功能劃分為八個區(qū):區(qū)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)是夫蘭克-赫茲管所需激勵電壓的輸出連接插孔,其中左側(cè)輸出孔為正極,右側(cè)為負極;4區(qū)是測試電流指示區(qū):四位七段數(shù)碼管指示電流值;四個電流量程檔