实验三十一夫兰克—赫兹实验

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1、实验三十一夫兰克—赫兹实验实验内容1．了解夫兰克—赫兹实验的原理和方法。2．学习测定汞原子第一激发电位的方法。教学要求1.证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。2.学习处理数据的方法。实验器材：夫兰克—赫兹实验仪温度计（250℃）本世纪初，人类对原子光谱的研究逐步深入，人们发现卢瑟福于1911年提出的原子核结构模型与经典电磁理论存在深刻的矛盾。按照经典理论，原子应当是一个不稳定的系统，原子光谱应为连续光谱。但事实上，原子是稳定的，原子光谱是具有一定规律性的分离谱线。为了解决这一矛盾，丹麦物理学家玻尔（N.Bohr）根据光谱学研究的成

2、就和普朗克、爱因斯坦的量子论思想，在卢瑟福核式模型基础上，把量子概念应用于原子系统，提出了半经典的氢原子理论，指出原子中存在能级。该模型的预言在氢光谱的观察中取得了显著成功。根据玻尔理论，原子光谱中的每条谱线表示原子从一个能级跃迁到另一个较低能级时产生的辐射。为此，1922年玻尔获诺贝尔物理奖。为了证明原子中电子的运动存在一系列稳定状态—能级，1914年，德国物理学家夫兰克(J.Franck)和赫兹(G.Hertz)巧妙地改进了勒纳用来测量电离电位的实验装置。他们同样采用慢电子（几到几十电子伏）与单原子气体碰撞后电子状态的变化（勒纳观察

3、的是离子）。他们用此装置测定了汞原子的第一激发电位，后又改进电路测出了汞原子的较高激发电位及至电离电位，得到了与原子光谱测量一致的结果，从实验上证实了原子内部能量的分立、不连续性，验证了玻尔理论，为量子理论的创立奠定了实验基础。这两位物理学家于1925年获诺贝尔物理奖。实验原理：根据玻尔理论的基本假设，原子只能处于一系列稳定状态（简称定态）中，每一稳定状态对应一定的能量值En(n=1,2,…)，这些能量值是彼此分立的，不连续的。原子从一个稳定态过渡到另一个稳定态时，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。辐射频率υ取决于两定态能量之差。原子能量

4、状态的改变可以通过具有一定动能的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。夫兰克—赫兹实验就是通过直接测量出电子碰撞时传递的能量值来证实原子能级存在的。夫兰克—赫兹实验的原理图如图31-1所示。电子和原子的碰撞是在夫兰克—赫兹实验管中进行的，夫兰克—赫兹管是在抽成真空的电子管中充以某种气体，电子由电阴极发出，阴极K与栅极G之间的电压UGK是使电子加速的；在板极A与栅极G之间加的是反向电压，它使电子减速，用于探测电子通过KG后的状态。这样，电子在KG空间被加速时将会与被测气体原子发生碰撞。按玻尔理论，被测气体原子只能接收与其各能级之间能量差相等

5、的能量，而不能接受其他量值的能量。如果电子的动能低于原子第一激发能量，它与气体原子的碰撞将是弹性碰撞，电子几乎不损失能量，因而可能穿过反向电压UAG达到板极A，被电流计pA检出；如果电子加速后具有的动能足够大，足以使气体原子产生激发的话，电子将与气体原子产生非弹性碰撞，把其一部分动能传给原子，使原子从基态跃迁到第一激发态，电子剩下的能量将不足以克服GA之间的反向电压，结果将引起板极电流IA急剧下降。随着电子继续加速和减速，IA将随UGK周期性的变化，IA-UGK曲线两峰值之间的电位差就是被测气体原子的第一激发电位。实验观察到的IA-UG

6、K曲线如图31-2所示。它反映了在KG空间中气体原子与电子间进行能量交换的情况。HK图31-1夫兰克—赫兹实验原理图VpAAAAGHg被测气体可以是惰性气体（如氖、氩气），也可以是汞蒸气。由于常温下汞为液体，因而需要用恒温加热炉，使管中有一定的汞饱和蒸气，其中的原子密度可通过调节加热炉的恒温温度来选择，温度越高管中汞原子密度越大，电子与原子碰撞的机会越多。本实验就是要通过实验测定汞原子的第一激发电位（公认值为4.9伏），进而证实原子能级的存在。原子处于激发态是不稳定的。实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，应有eU0（U0是汞

7、的第一激发电位）电子伏特的能量释放，产生波长为λ的光波。即实验中可观察到夫兰克—赫兹管中有淡蓝色的光发出，光谱分析证实了这一波长光波的存在。假如电子在被加速过程中获得的动能eUGK足以补偿原子束缚其电子的势能eUZ时，当这样的电子与原子碰撞时，就能从原子中分离出一个电子，使原子变成离子。由于板极电位为负，电子在碰撞后到不了板极，而正的离子才能到达板极形成板极电流IA而被电流计检出。通过测量这个电流的变化即可测出该原子的第一电离电位。汞的电离电位是UZ=10.39V。操作步骤1.测定汞原子的第一激发电位(1)接通装有夫兰克—赫兹管的加热炉

8、电源，调节加热炉右侧的控温旋钮（顺时针旋转为升温），使温度计上读出的炉温逐渐升高,直至稳定在160℃左右。(2)在加热的同时，接通微电流放大器，使之预热。先将“工作选择”开关拨向“M”(锯齿波)，电压表指示