夫兰克-赫兹实验讲义.pdf

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1、近代物理实验——夫兰克－赫兹实验实验室：千墅302泉州师院物理实验中心郑世燕实验一夫兰克-赫兹实验[目的]1测定Ar原子的第一激发电势，证明原子能级量子化；2分析灯丝电压、拒斥电压等因素对实验的影响；3了解计算机实时测控系统的方法。[仪器和用具]1智能夫兰克-赫兹实验测试仪(ZKY-FH-2)2微型计算机（中柏电脑）3激光打印机（hp）[实验原理]1玻尔原子结构理论。理论的两条基本假设是：①定态假设。原子系统中存在具有确定能量的定态E1、E2、E3„，原子处于定态时，电子绕核运动不辐射也不吸收能量。②跃迁假设。原子系统从一个定态过渡到另一

2、个定态，伴随着光辐射量子的发射和吸收，EhEE，其中h为普mn朗克常数，为光辐射频率。一般原子能级示意图如图1-1所示。2原子的跃迁、激发电势和能级差。原子在正常情况下处于低能态（即基态），当原子吸收电磁波（光）或受其他粒子碰撞而发生能量交换时，可由基态跃迁到能级较高的激发态，所需的能量称为临界能量。本实验是Ar原子受电子的碰撞，原子由基态跃迁到第一激发态，如果电子能量（动能）大于临界能量时，则碰撞过程中电子将转移给Ar原子跃迁所需的临界能量，而电子动能减少，这种碰撞是非弹性的。用公式表示即：对Ar原子来说EEEeu，

3、其210中E1为基态能量，E2为激发态能量，△E为Ar原子系统的基态和第一激发态的能级差，u0为Ar原子第一激发电势。用这种方法还可以测量其他元素的第一激发电势及相应的能级差。图1-1：一般原子的能级示意图3夫兰克－赫兹管中被加速电子和Ar原子能量交换的规律性。如图1-2所示在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间加上约1.5V的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速，在板极A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A，其第一栅极G1与阴极K之间，其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响

4、。实验装置的巧妙之处在于收集电子的极板A到栅极G2之间加有一定的反向VG2A，对碰撞后的热电子进行筛选，称为“拒斥电压”（或“筛选电压”）。管内空间电位分布如图1-3所示：当灯丝加热时，阴极的外层即发射电子，电子在G1和G2间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但在起始阶段，由于电压VG2K较低，电子的能量较小，即使在运动过程中，它与原子相１碰撞（为弹性碰撞）也只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子达到板极A所形成的电流IA随第二栅极电压VG2K的增加而增大（见图1-4oa段）。图1-2：夫兰克-赫兹实验原理图图1-3：夫兰克-

5、赫兹管内空间电位分布图1-4：夫兰克-赫兹管的IA~VGK曲线当VG2K达到氩原子的第一激发电位时,有些电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氩原子,使氩原子从基态激发到第一激发态,而电子却没有能量克服拒斥电压，达不到A极，形不成电流，所以板极电流IA将显著减小(如图1-4ab段)。氩原子在第一激发态不稳定，会跃迁回基态，同时以光量子形式向外辐射能量（由于光频率较高看不见）。以后随着第二栅极电压VG2K的增加,电子的能量也随之增加,与氩原子相碰撞后还留下足够的能量。这就可以克服拒斥电

6、压的作用力而到达板极A,这时电流又开始上升(如图1-4bc段),直到VG2K是2倍氩原子的第一激发电位时,电子在G2与K间又会因第二次非弹性碰撞而失去能量,因而又造成了第二次板极电流IA的下降(如图1-4cd段),这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化.若以VG2K为横坐标,以板极电流值IA为纵坐标就可以得到谱峰曲线,两相邻谷点(或峰尖)间的加速电压差值,即为氩原子的第一激发电位值。这个实验就说明了夫兰克---赫兹管内的电子缓慢地与氩原子碰撞,能使原子从低能级被激发到高能级,通过测量氩的第一激发电位值(11.55V是一个定值,即吸

7、收和发射的能量是完全确定的,不连续２的)说明了玻尔原子能级量子化。[实验内容及步骤]用计算机联机测式方式（自动）、手动方式测量氩原子的第一激发电位，并作比较。（如遇计算机故障，以手动方式为主。）一自动操作步骤1确认已经清楚本次实验各个参数（自我提问方式4个电压，1个电流）的作用及符号。2按照实验要求连接实验线路，确认无误后开机。3缓慢将灯丝电压、第一栅极电压VG1K、拒斥电压VG2A及第二栅极电压VG2K调至所需的电压值（以各仪器记录本封面上的数值为准！！！），预热10分钟！！！4启动电脑，并运行“计算机辅助实验系统”。5选择菜单栏“数据

8、通讯”——“开始实验”，并输入班级、学号、姓名，选择联机测试，输入实验参数（以各仪器机箱上盖的标牌参考为准！！！），进行实验。（注：本实验要求完成多组数据，避免之前完成的数据被之后的数据覆盖掉