夫兰克-赫兹实验讲义2012

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1、夫兰克-赫兹实验修改：2012-6byzhangxf一、实验简介1914年夫兰克(J·Frank)和赫兹(G·Hertz)所作的实验(即著名的Franck-Hertz实验)，用电子碰撞原子的方法，观察测量到了汞的激发电位和电离电位。从而证明了原子能级的存在，为前一年玻尔发表的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。为此他们分享了1925年的诺贝尔物理学奖。他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一.为了研究原子内部的能态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用低速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原子内部量子化能级的存在。二、实验目的1、观察Ar、Hg原子

2、能级的量子化现象2、观测实验各参数对实验曲线的影响3、测量Hg或Ar原子的第一激发电位4、测量Hg原子的电离电位三、实验原理注：请各位先预习《大学物理实验》第二册第200页开始的实验原理，再预习本讲义。在此修正书上的两处错误：1、第201页第12行：将265.65nm改为253.65nm2、第202页：图4.3.1-2改为本电子版第2页实验方法部分的实验原理图图 1  Hg原子能级图1333其中6S0（0eV）为基态，6P1（4.9eV）为激发态，6P0（4.7eV）、6P2（5.47eV）为亚稳态。实现能级跃迁吸收光子∆E=E−E=hνmn22242原子与电子碰撞∆E=E−E=eU=pc+

3、mc−mcmnee处于激发态的原子不稳定，发射光子回到低能态。四、实验方法实验原理图F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射电子，G1控制通过G1的电子数目，G2加速电子，G1、G2空间较大，提供足够的碰撞空间已保证合适的碰撞概率，P接收电子，PG2加一遏止电压，使损失了动能的电子不能到达P而形成电流。（注：书上讲F-H管的收集极标注为A，而实验设备上标注为P，本文与设备上的标注相同）图2测激发曲线原理图实验曲线图 3  激发曲线示意图碰撞过程及能量交换此过程在G1G2空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可

4、能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，不能到达P从而不能形成电流。3V=4.7V时，能使原子激发到6P0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，G2K故不容易观察到这个吸收。3V=4.9V时，使原子激发到6P1，引起共振吸收，电子速度几乎为零从G2K而不能到达P，形成第一个峰。V=9.8V时，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在G2处失去动能，形成G2K第二个峰。V=4.9nV时，将形成第n个峰。G2K在实验中，有V=V+E⋅n，其中n=1,2,?，E为第一激发电位。G2K0电子平均自由程λ对激发或电离的影响充汞F-H管中的电子平均自由程主要由炉温决定，还与电子速度等有关。λ

5、很短时，相邻两次碰撞间获得加速能量小，能使原子激发到第一激发态，不容易激发到较高能态。λ很长时，相邻两次碰撞间获得加速能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在λ很长，加速电压较高时，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能态，甚至电离。五、实验内容注：本实验有5套F-H管充氩，另5套F-H管充汞，实验时请前一半同学测氩的数据，后一半同学测汞的数据，之后两边对调测量。充氩管F-H实验内容如下：1、对照图2熟悉实验装置各旋钮、按键的功能与用法，见下图4；2、将加速电压当成X信号，收集极电流当成Y信号输入示波器；3、示波器旋钮置于校准位置；4、在参考值附近±50%范围内调节VF、VP、VG1K、V

6、G2K、，观测并用文字描述各实验参数对激发曲线的影响，根据实测Ip---V曲线确定各参数；G2K5、用示波器测量充氩F-H管的Ip---V曲线各峰、谷的位置，求出氩原子的G2K第一激发电位；6、课间计算：若已知在汞蒸汽中电子的平均自由程λ与温度T、蒸汽压p的关系为：kTλ=2πrp式中k为玻尔兹曼常数，汞原子半径r=0.176nm。根据附录列出的数据分别计算出80、90、100、160、170、180℃时电子在汞蒸汽中的平均自由程λ。图 4  充氩管F‐H实验仪图 5  充汞管F‐H实验仪充汞管F-H实验内容如下：1、对照图2熟悉实验装置各旋钮、按键的功能与用法，并正确连接电路。图5为实物图

7、；2、设置加热炉温度为160~180℃中某一温度，预热F-H管30分钟；3、选择合适的实验参数（可取参考值）；4、在4.0~35.0V内手动扫描汞的Ip---V曲线，记录曲线的峰、谷的大概位G2K置，至少测量6组峰、谷的值；5、在4.0~35.0V内以0.2~0.5V为步长（在峰、谷处以0.2V为步长）改变加速电压V，测量汞的Ip---V曲线，至少测量6个完整的峰；G2KG2K6、根据实验书上图4.3.1-7