弗兰克赫兹与光电效应实验

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1、弗兰克赫兹与光电效应实验【实验简介】弗兰克-赫兹实验是近代物理中一个经典的实验。本实验仪采用德国科学家弗兰克和赫兹使慢电子与稀薄气体中的原子碰撞的方法，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有

2、重大影响。普册克常数记为h,是一个物理常数，用以描述量子大小，约为6.62619x1（）3八在量子力学中占有重要的角色，马克斯•普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于，为辐射电磁波的频率。普朗克常数是自然科学中一个很重要的常量，它可以用光电效应简单而又准确地测量。【实验目的】1、测量就原子第一激发电位（11.7V）；2、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；3、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电

3、效应的基本规律;4、掌握用光电管进行光电效应研究的方法；5、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。【实验仪器】弗兰克一赫兹实验仪、智能光电效应（普朗克常数）实验仪、示波器［实验原理］一、弗兰克赫兹实验1、玻尔理论观点「e八"i(1)原子只能较长久的停留在一些稳定的状态乞，简称定态。hvhv原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能使原子从一个定态匕口〃跃迁到另一个定态。(2)原子从一个定态跃迁到另一个定态发射或吸收辐射的能量是一定的,hv=Em-En，如图1所示。2、弗兰克一赫兹实验中电子轰击原子的结果第一激发电位的测量实验原理图如图

4、2所示，本实验采用四级弗兰克一赫兹管，第一级(GJ与阴极(K)之间的电压Vgik约1.5V,其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响。当灯丝加热时，热阴极(K)发射的电子在阴极(K)与第二栅极(GJ之间的正电压Vg2k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G2K空间分布的气体氮的原子发生碰撞进行能量交换。在起始阶段，Vg2K较低，电子的动能较小，在运动过程中与氮原子的碰撞为弹性碰撞，两者不发生能量的交换。电子穿过G?后将受到减速电场VG2A的作用,只有动能大于eVG2A的电子才能达到阳极(A)形成电流Ia,这样，Ia将随Vg2k的增大而增

5、大，如图3中oa段曲线所示。当VG2K达到氮原子的第一激发电位时，电子与原子在G2附近发生非弹性碰撞，电子将从加速电场中获得的全部能量传递给氟原子，使得氤原子从基态跃迁到第一激发态，而失去能量的电子无力克服减速电场Vg2A的作用到达不了阳极(A),所以Ia将随VG2K的增大而减小，如图3中ab段曲线所示。b点以后继续增加Vg2k，电子与原子发生非弹性碰撞的区域在向Gi移动，发生非弹性碰撞而失去能量的电子仍然处于加速电场屮，再次获得能量Z后的电子足以克服减速电场VG2A的作用到达阳极(A)形成电流Ia,如图3中be段曲线所示。当VG2K达到两倍氮原子的第

6、一激发电位时，电子与原子发生两次非弹性碰撞，最后一次发生在G2附近，失去能量的电子无力克服减速电场VG2A的作用到达不了阳极(A),所以Ia将随VG2K的增大而减小，如图3中cd段曲线所示。依此类推，Ia随着Vg2k的增加而呈周期性变化，如图3所示，两相邻的峰值或谷值对应的Vg2K值之差就是氮原子的第一激发电位Vg。本实验中测量氮气的第一激发电位电路如图4所示，各电压的作用是：匕控制灯丝温度、用来构成均匀加速电场、反向电压，G{-G2为加速电子和氟原子碰撞区域。二、光电效应实验1、普朗克常数的测定根据爱因斯坦的光电效应方程：Ep=hv-Ws(1)其中：

7、$是电子的动能，加是光子的能量，u是光的频率，叱•是逸出功,力是普册克常量。)叱是材料本身的屈性，所以对于同一种材料叱是一样的。当光子的能量hv

8、h/=2(—5)(3)e(其中vQ=Ws/h)式中力、£都是常量，对同一光电管心也是常量，实验