医用物理学（俞航）夫兰克—赫兹实验

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1、实验夫兰克——赫兹实验一、预习提纲1.原子结构和能级跃迁理论2・电子自旋共振的基本原理二'实验目的1.通过示波器观察Ip-UG2关系曲线，了解电子与原子碰撞和能量交换的过程。2.通过主机的测量仪表记录数据，作图计算氟原子的第一激发电位，从而证明原子能级的存在。3.学习夫兰克(J.Franck)赫兹(GHertz)研究原子内部能量的基本思想和实验设计方法，掌握其测量的实验方法。三、实验原理玻尔理论指出：原子内部存在稳定的量子态，即原子存在能级，电了在不同能级之间跃迁时伴随着能量的吸收或辐射。此理论除由原子物理学中通用的光谱技术实验方法证明外，于1914年，

2、由夫兰克和赫兹用低速电子与气态汞原子碰撞使汞原了激发，通过研究碰撞前后电子能量的改变情况和观察受激原子所发出的辐射，从而证明了原子内部量子化能级的存在，为玻尔理论提供了直接而独立的实验证据。因此夫兰克与赫兹二人获得了1925年的诺贝尔物理奖。图1夫兰克一赫兹实验仪图2夫兰克一赫兹实验曲线图1为夫兰克一赫兹实验仪器原理图。图中上方为一个专用的充气管，实验中原子与电子的碰撞便在此管中进行，该管称为夫兰克一赫兹管（简称F—H管）。管中充以不同的元素便可以测出相应元素的第一激发电位。本实验所用的F—H管为充氮气的双栅结构的四极管。管内有灯丝F,热阴极K,两个栅极

3、G-G2和板极Po第一栅极G］靠近热阴极K,并加有一小的正向电压比，用于控制管内电了流以抵消热阴极附近电了云形成的负电位的影响。第二栅极G?靠近板极P,并在其间加一个减速电压比，使与原子发生非弹性碰撞而损失能量的电子不能到达板极po两个栅极之间的距离较大，以保证电子与原子有相当的碰撞几率。从被灯丝加热的热阴极K中所发射出来的大量电子，经G2、K之间的加速电场作用，获得能量向栅极G2加速运动。这些电子在G2、K之间的空间与汞原子发生非弹性碰撞并把部分或全部能量交换给氮原子。这些电子在经过G?、P之间的阻滞场（亦称为拒斥电场）吋，在减速电压匕作用下使那些沿电

4、场方向的动能小于”比

5、的电子不能到达板极Po电流计A用来测量板流的大小，根据板流的大小就可以确定到达板极的电子数，从而绘出比与厶，的关系曲线如图2O实验时，加速电压比从零开始逐渐增加，电子获得的能量也就随之增加。在开始阶段，当加速电压％2小于原子的第一激发电势匕时，电子获得的能量小，实验表明其与氮原子发生的碰撞是弹性的，即电子几乎没有能量损失。因而具有足够的能量克服减速电压匕的作用而达到板极Po板极电流/〃将随加速电压比的增大而增大。当加速电压比达到原子的第一激发电势人时，即岭，电子与氮原子发生非弹性碰撞，氧原子吸收电子的全部能量，从而实现了从基态向第一

6、激发态的跃迁。电子因失去能量而不能克服减速电压比的作用到达板极P,板极电流仃就明显下降，形成第一个谷点。随着加速电压Z的继续增加，电子在与氮原子发生非弹性碰撞后，继续在加速电场的作用下加速，因而会有足够的能量克服减速电压匕作用而达到板极P,所以板极电流/〃又随着加速电压比的增加而增大。当加速电压比增加到氮原子第一激发电势兀的二倍时，电子与氟原子发生第…次非弹性碰撞而损失其能量后，在余下的路程中由于加速电场的作用再次获得使原子跃迁到第一激发电势所需要的能量,并且在g2附近与氮原子第二次发生非弹性碰撞而形成了板流码再次下降。由此可知，随着加速电压比的不断增加

7、，板极电流Ip就显示出了一系列的极大值和极小值。如图2所示。从中我们可以知道每当比=斤匕5=1,2--）时，都伴随着Ip的一次突变，出现一次峰值，且峰值之间的间距为匕，考虑到热电子具有一定初速度，而且各极之间因材料不同而具有接触电势差等原因，使各极值处的电压发生偏离（％）,但各相邻极值间的距离不变，所以相邻两个极大值（或极小值）处对应的栅压差就是第一激发电势匕。即，凡加速电压乙为（"1,2,…）时相应的板极电流「就会下降形成谷点。测出比与「的关系曲线，即可求出氮原子的第一激发电位匕。四'实验仪器主机、示波器、电源线一根、Q9线两根。五、实验内容与过程1.

8、示波器演示a.将主机接好电源，用Q9线将主机止面板上“％输出”与示波器上的“X相”相连，输出”与示波器“Y相”相连；b.将主机的扫描开关置于“自动”档，扫描速度开关置于“快速”档，微电流放大器量程选择开关置于“10nA”；a.将示波器的“X”、“Y”电压调节至“IV”和“2V”,“POSITION”调至“x・y”，“交直流”调至“DC”；b.分别开启主机和示波器电源开关，稍等片刻；c.分别调节％、匕、作电压（可先参考主机上给出的参考值）至合适电压，然后将比电压市小慢慢调大（以F—H管不击穿为界），直至示波器上呈现稳定的厶厂％曲线，观察原了能量的量子化情况

9、。1.手动测量乩调节比至最小，扫描开关置于“手动”档，打开主机电源;b・调节比、