夫兰克—赫兹实验.doc

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1、Franck-Hertz实验根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型指出原子的核外电子只能量子化的长存于各稳定能态En(n＝1，2，…，)，它只能选择性地吸收外界给予的量子化的能量差值(En-Ek)，从而处于被激发的状态；或电子从激发态选择性地释放量子化的能量En-Ek=hγnk，回到能量较低的状态，同时放出频率为hγnk的光子。其中h为普朗克常数。1914年，德国科学家夫兰克（J.Franck）和赫兹（G.Hertz）用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级。并通过对电子与原子碰撞时能量交换的研究，直

2、接证明了原子内部能量的量子化。夫兰克和赫兹的这项工作获得了1925年度的Nobel物理学奖金。夫兰克——赫兹实验仪重复了上述电子轰击原子的实验，通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换，使原子从低能级跃迁到高能级，直接观测到原子内部能量发生跃变时，吸收或发射的能量为某一定值，从而证明了原子能级的存在及波尔理论的正确性。一、实验要求1．通过测氩原子第一激发电位，了解Franck和Hertz在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。2．了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。二、实验仪器FH—1AFranck-H

3、ertz实验仪、示波器等。三、工作原理充氩四极Franck-Hertz实验原理图如图2.1所示图2.1Franck-Hertz实验原理图电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述：（2.1）式中：me——原子质量；M——电子质量；v——电子碰撞前的速度；v’——电子碰撞后的速度；V——原子碰撞前的速度；V’——原子碰撞后的速度；ΔE——原子碰撞后内能的变化量。按照波尔原子能级理论，ΔE=0弹性碰撞；(2.2)ΔE=E1-E0非弹性碰撞；式中：E0——原子基态能量；E1——原子第一激发态能量。电子碰撞前的动能

4、与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE=0，原子仍然停留在基态。电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能≥E1-E0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值（E1-E0）的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。Franck-Hertz管即是为此目的而专门设计的。在充入氩气的F-H管中（如图2.1所示），阴极K被灯丝加热发射电子，第一栅极（G1）与阴极K之间的电压VG1K约为1.5V，其作用是消除空间电荷对阴极K的影响。当灯丝加热时，热阴极K发射的电子

5、在阴极K与第二栅极（G2）之间正电压形成的加速电场作用下被加速而取得越来越大的动能，并与VG2K空间分布的气体氩原子发生如(2.1)式所描述的碰撞而进行能量交换。第二栅极（G2）和A极之间的电压称为拒斥电压，起作用是使能量损失较大的电子无法达到A极。阴极K发射的电子经第一栅极（G1）选择后部分电子进入G1G2空间，这些电子在加速下与氩原子发生碰撞。初始阶段,VG2K较低，电子动能较小，在运动过程中与氩原子作弹性碰撞，不损失能量。碰撞后到达第二栅极（G2）的电子具有动能，穿过G2后将受到VG2K形成的减速电场的作用。只有动能

6、大于eVG2A的电子才能到达阳极A形成阳极电流IA，这样,IA将随着VG2K的增加而增大，如图IA—VG2K曲线Oa段所示。当VG2K达到氩原子的第一激发电位13.1V时，电子与氩原子在第二栅极附近产生非弹性碰撞，电子把从加速电场中获得的全部能量传给氩原子，使氩原子从较低能级的基态跃迁到较高能级的第一激发态。而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使他能穿过第二栅极也不能克服VG2A形成的减速电场的拒斥作用而被拆回到第二栅极，所以阳极电流将显著减少，随着VG2A的继续增加，产生非弹性碰撞的电子越来越多，IA将越来越小，如图2

7、.2曲线ab段所示，直到b点形成IA的谷值。图2.2IA——VG2K曲线b点以后继续增加VG2K，电子在G2K空间与氩原子碰撞后到达G2时的动能足以克服VG2A加速电场的拒斥作用而到达阳极（A）形成阳极的电流IA，与Oa段类似，形成图2.2曲线bc段。直到VG2K为2倍氩原子的第一激发电位时，电子在G2K空间有回音第二次非弹性碰撞而失去能量，因此又形成第二次阳极电流IA的下降，如图2.2曲线cd段，以此类推，IA随着VG2K的增加而呈周期性的变化。相邻两峰（或谷），对应的VG2K的值之差即为氩原子的第一激发电位值。四、实验

8、仪面板说明FH—1A夫兰克——赫兹实验仪面板布置如图所示图3.1FH-1AFranck-Hertz实验仪面板布置图五、面板说明①IA的量程切换开关，分4档：1μA/100nA/10nA/1nA②电流表,指示IA的电流:IA=IA的量程切换开关①指示值×电流表②读数/100例如:①指示100nA,本电流表