近代物理实验之原子物理实验单元

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1、近代物理实验之原子物理实验单元：弗兰克－－赫兹实验1引言１９１３年，丹麦物理学家玻尔（Ｎ．Ｂｏｈｒ）在卢瑟福原子核式模型的基础上，结合普朗克的量子理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论，玻尔理论是原子物理学发展史上的一个重要里程碑。在玻尔原子结构理论发表的第二年，即１９１４年，夫兰克（Ｊ．Ｆｒａｎｋ）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较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子内部量子化能级的存在，证明了原子发生跃迁时

2、吸收和发射的能量是完全确定的，不连续的，给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。由于此项卓越的成就，他俩获得了１９２５年的诺贝尔物理学奖。2实验目的1学习关于原子碰撞激发和测量的方法。2测量氩原子的第一激发电位。3通过对氩原子激发电位的测量，证实原子能级的存在。4.分析灯丝电压、拒斥电压等因素对Ｆ-Ｈ实验曲线的影响。3实验原理原子吸收一定频率的光子后，能从一个定态跃迁到另一个定态。能级的跃迁必须满足公式：hυ=En-Em(3.1)式中h为普朗克常数，υ为辐射频率，En、Em

3、为原子的能级。原子能量状态的改变，可以是吸收光子的能量，也可以是原子与其它粒子发生碰撞而交换能量这种情况。夫兰克—赫兹实验就是利用原子与电子发生碰撞来实现原子状态改变的。只要加速电子使其能量eU等于（En–Em）并与原子碰撞，原子就能从能态Em跃迁到能态En。此时有：eU=En–Em(3.2)4第一激发电位：若原子吸收由电子传递的能量eU从基态跃迁到第一激发态，则相应的U称为第一激发电位。实验原理图：5热阴极K用来发射电子；在阴极K与栅极G之间施加加速电压VGK，使电子获得能量，并与原子碰撞交换能

4、量；栅极G与极板A之间加反向电压VGA，GA之间的阻滞场使那些沿电场方向的动能小于

5、eVGA

6、的电子不能达到极板A；电流计用来测量板流IA。6F—H管已抽成真空，充入气压合适的氩气。实验时，保持GA间电压不变。当KG之间的电压逐渐增加时，板流IA随VGA的变化如图（2）。7当加速电压VGK由零逐渐升高时，刚开始时板流IA随VGK的升高而逐渐增加。在加速电压VGK等于或大于氩原子第一激发电位Vr的时候，由于电子在栅极附近与氩原子发生非弹性碰撞，电子在碰撞中几乎将全部的动能给了氩原子，使氩原子激发。此

7、时电子将不能克服减速电场而到达极板A，因此板流IA开始下降。如果继续升高加速电压VGK，电子将具有较大的动能，电子在离栅极较远的地方与氩原子发生非弹性碰撞损失大部分能量，但电子在加速电场的继续作用下，在通过栅极后仍然有足够的能量克服减速电场的作用达到极板A，此时板流IA又开始升高。显然，加速电压VGK越高，电子与氩原子发生非弹性碰撞的地点离栅极越远。8在加速电压VGK达到汞原子第一激发电位Vr的两倍时，电子在KG空间中与氩原子可能发生两次非弹性碰撞损失全部能量，使板流IA再一次下降。同理，只要加速

8、电压VGK满足VGK=nVrn=1，2，3(3.3)时,板流IA就会下降。上式表明各次板流IA下降所对应的VGK氩原子第一激发电位Vr的整数倍。实验中，板流IA第一次下降的加速电压VGK并不等于氩原子第一激发电位Vr，这是因为接触电势差附加在加速电压上的结果。我们是从两个相邻峰值的加速电压之差求出汞原子第一激发电位Vr的。9实验证明，电子决不把小于eVr的一份能量交给原子。这对玻尔原子理论的分立能态概念是一个有力的支持。氩原子的第一激发电位Vr等于11.55V，同时氩原子从该激发态跃迁到基态时辐射

9、波长为253.7nm的光谱线，正符合式（3.1），进一步说明了玻尔理论的正确性。图（3）是夫兰克—赫兹实验改进装置结构图。与一图相比，在靠近阴极处加了一个栅极G/，电子的加速在KG/之间进行。KG/之间的距离小于电子在氩气中的平均自由程，与原子碰撞的机会小。所以，在KG/间可以把电子的能量加得很高，然后在较大的G/G区域进行碰撞。这样除了可以把氩原子激发到第一激发态外，还可以得到氩原子的更高激发态。101112131415[实验内容]1、检查调节电位器是否置零，无误后开机；将数字万用表置于0~20

10、mA直流量程；数字电压表置于0~20V量程并调零。2、按夫兰克—赫兹实验仪面板上参数将Vf、VG1、VP调好，将电流IP表置于10nA挡。预热1分钟。3、从0~80V调节VG2，每变化1V（最大值和最小值附近变化0.5V或更小值），记录一个IP值和VG2的值。4、将IP~VG2曲线描出来，求出氩原子的第一激发电位。5、将氩原子的第一激发电位的实验值与理论值（11.55V）比较，作误差分析。16[选择题]1、灯丝温度（即电压）增高对实验曲线的影响是（）A、沿垂直方向上移B、沿垂直方向