物理实验之弗兰克-赫兹实验

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1、弗兰克-赫兹实验摘要：该报告阐明了弗兰克-赫兹实验的历史背景及实验目的，并研究了弗兰克-赫兹实验的设计思想及实验方法。通过此实验证明了原子能级的存在。Abstract:Thisresearchpaper,firsttalkingonthebackgroundandpurposeofFrank-HertzExperiment,hasastudyonitsdesigningidea,andthewaytoworkontheexperiment.Atlast,theconclusionisdrawnthattheenergyleveldoexist

2、intheatom.一、前言玻尔原子理论作为基本假设，玻尔提出：原子只能处于一系列不连续的状态，这些状态具有分立的确定的能量值，称为定态；原子从一个定态过渡（跃迁）到另一个定态将伴随着辐射或吸收电磁波，电磁波的频率υ与两定态的能量值Em和En的关系为hυ=Em－En（1）式中h=6.63×10-34Js，称为普朗克常量。原子在正常情况下处于基态（最低能态），当原子吸收电磁波或受到其它有足够能量的粒子碰撞时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。弗兰克－赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持。1914年，弗兰克（Jame

3、sFranck，1882—1964）和G..赫兹（GustavHertz，1887—1975）在研究充汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸汽的电子流随电子的能量显现出周期性的变化。他们的结论是：（1）汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止；（2）此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V的加速；（3）可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为253.6nm的汞谱线的能量子；（4）4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势。从而证明了原子内部能量是量子化的，进一步论证了

4、原子能级的存在。为此，弗兰克和赫兹获得了1925年诺贝尔物理奖。二、实验原理和实验设计思想如何检验玻尔的假说呢？弗兰克和赫兹设想，让具有一定能量（速度）的电子与稀薄气体的原子发生碰撞，并观测研究这些电子在碰撞前后的速度分布。如果发生的是弹性碰撞，碰撞中既不能改变原子的能量，也不损失电子的能量，碰撞后电子的速度分布并不改变；如果发生非弹性碰撞，原子将吸收电子的能量，电子则因损失了能量而改变其速度分布。弗兰克-赫兹实验的结果表明，在电子速度小于某一临界速度时，电子与原子发生弹性碰撞；在速度达到临界速度时发生非弹性碰撞，电子将能量交给原子，原子因吸

5、收能量而过渡到较大的能量状态。换言之，原子要么不吸收能量，发生弹性碰撞。要么只吸收两个定态能量的差值，发生非弹性碰撞，从而直接证明了原子内部的能量确实是不连续的，是量子化的。1.激发电位的测定在弗兰克-赫兹管（即F-H管）中充以要测量的气体，电子由热阴极K发出。在K的近处加一个小的正向电压UG1K，起到驱散在热阴极上电子云的作用。在K与栅极G2之间加电场使电子加速，加速电压为UG2K。G1和G2之间的距离较大，为电子与气体原子提供较大的碰撞空间，从而保证足够高的碰撞概率。在G2与接收电子的极板A之间加有反向拒斥电压UG2A。当电子通过KG2空

6、间，进入G2A空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反向拒斥电场而到达板极A，成为通过电流击的电流IA，进而被检测出来。如果电子在KG2空间与原子碰撞，把自己一部分能量给了原子，使后者被激发，电子本身所剩下的能量就可能很小，以致通过栅极后不足以克服拒斥电场，那就达不到板极A，因而不通过电流计。如果这样的电子很多，电流计中的电流就要显著的降低。实验时，把KG2间电压逐渐增加，观察电流计的电流IA，这样就得到板极A电流随KG2之间加速电压的变化情况。通过IA-UG2K曲线的研究可得出原子能级的不连续性。2.影响实验结果的因素（1）接触电位差和空间电荷

7、实际的F-H管的阴极和栅极往往是不同的金属材料制作的，因此会产生接触电位差。接触电位差的存在，使真正加到电子上的加速电压不等于UG2K，而是UG2K与接触电位差的代数和。这将影响F-H实验曲线第一个峰的位置，使它左移或右移。开始，阴极K附近积聚较多电子，这些空间电荷使K发出的电子受到阻滞而不能全部参与导电。随着UG2K的增大，空间电荷逐渐被驱散，参与导电的电子逐渐增多，所以IA-UG2K曲线的总趋势呈上升状。（2）电子平均自由程对激发或电离的影响主要由炉温决定，还与电子速度等有关。λ很短，相邻两次碰撞间获得能量小，经多次碰撞能量积累到第一激发

8、态的能量时，能使原子激发到激发态，不容易激发到较高能态。λ很长，相邻两次碰撞间获得能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在λ很长，加速电压较高，会使某些电子有足够能