弗兰克—赫兹实验

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1、弗兰克—赫兹实验弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。1913年丹麦物理学家玻尔（NBohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射能量满足DE=Em-En（1）对于外界提供

2、的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。1914年德国物理学家弗兰克（JFranck）和赫兹（GHertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获此奖。图1弗兰克-赫兹实验原理图电子氩原子KG2G

3、1AIUG2KUG1KUG2A微电流仪灯丝电压【实验目的】1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。3、测量氩原子的第一激发电位；4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；【实验器材】智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器【实验原理】夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K，阳极A，G1、G2分别为第一、第二栅极。K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发

4、射效率。G2-A加反向电压，形成拒斥电场。电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大于或等于e，就能到达阳极形成阳极电流I.电子在不同区间的情况：1.K-G1区间电子迅速被电场加速而获得能量。locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(Wuzhensaidinf

5、ormationisCarpenter),whogotAfewbayonets,duetomissedfatal,whennightcame32.G1-G2区间电子与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差DE＝E2-E1时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到DE，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。DE称为临界能量。图2弗兰克-赫兹实验～I曲线abcI(nA)OU1U2U3U4U5U6U73.G2-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收

6、能量。若电子进入此区间时的能量小于eUG2A则不能达到阳极。由此可见，若eUG2KnDE，则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原

7、子碰撞而损失能量。阳极电流I随加速电压变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差DU称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差DE=eDU（2）【实验内容及步骤】测量原子的第一激发电位。通过UG2K-I曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一激发电位。一、实验步骤1．将面板上的四对插座（灯丝电压，：第二栅压，：第一栅压，：拒斥电压）按面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器）连接好。2．打开仪器电源,开启计算机(或示

8、波器)。3．“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动”灯点亮。4．电流档为10-9A、10-８A、10-７A和10-６A、开机时位于“10-9A”本实验保持此档不变。5．按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压　、拒斥电压、电流量程I预置相应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“∧”键或“∨”键，更改预置值，若按下“<”键或“>”键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。6．电子管的加载。同时按下“set”键和“>”键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压