夫兰克-赫兹实验结果图像分析.doc

《夫兰克-赫兹实验结果图像分析.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、PHY.01近代物理实验课期末小论文王凯琳夫兰克-赫兹实验结果图像分析No.王凯琳摘要：夫兰克-赫兹实验可以记录汞的激发能态曲线，进而计算得到汞原子的激发能级。改变实验条件，能态曲线会相应的发生变化，本文主要针对能态曲线的图像进行分析，给出解释。关键词：夫兰克-赫兹实验激发能级引言1914年，夫兰克（J.Franck）和赫兹（G.Hertz）在研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中，发现透过汞蒸汽的电子流随电子的能量显现有规律的周期性变化，能量间隔为4.9eV，对应的光谱线2537Å。对此，他们提出了原子中存在“临界电势”的概念：当电子能量低于临界电势相应的临界能量是，

2、电子与原子的碰撞试弹性的；而当电子能量达到这一临界能量是，碰撞过程由弹性转变为非弹性，电子把这份特定的能量转移给原子，使之受激；原子退激时，再以特定频率的光量子形式将能量辐射出来。这可用爱因斯坦于1905年提出的光量子假设来说明，电子损失的能量等于光量子的能量，即光子频率与普朗克常数的乘积：由此，他们计算得到，与普朗克常量的公认值符合较好，这是对光量子假设的极好证明。1920年，夫兰克及其合作者对原先的装置作了改进，提高了分辨率，测得了亚稳能级和较高的激发能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的。1925年，夫兰克和赫兹共同获得了诺贝尔物理学奖。实验原理根据玻尔理论，原子中的电子只能在一定轨道

3、上绕原子核稳定的运动。在一定轨道上运动的电子，具有一定的能量，轨道不同，则其能量大小不相同。当电子在不同轨道之间跃迁时，就会吸收或放出能量。夫兰克-赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁。而电子与原子相互作用从而激发原子的跃迁，具有一个临界能量，当电子的能量小于临界能量时，电子与汞原子的碰撞是弹性碰撞，电子与汞原子之间几乎不交换能量；当电子的能量达到临界能量时，电子与原子发生非弹性碰撞，电子几乎把全部能量传递给汞原子，使汞原子激发。设汞原子的基态能量为，第一激发态的能量为，初速为零的电子在电位差为2008年6月第5页共5页PHY.01近代物理实验

4、课期末小论文王凯琳的加速电场作用下，获得能量为，具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量时，电子与汞原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比汞原子质量小得多，电子能量损失很少。如果，则电子与汞原子会产生非弹性碰撞。汞原子从电子中取得能量，而由基态跃迁到第一激发态，相应的电位差即为汞原子的第一激发电位。夫兰克-赫兹实验的电路图如图一所示，电子首先经加速区被拉出，然后进入区进行碰撞，最后能量足够的电子将穿透区的减速电压到达P极板形成管流。图一测量汞原子第一激发电位实验原理图电子在KG空间与汞原子发生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于则电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而减少。随着加

5、速电压的增大，电子能量增加，当电子与汞原子碰撞后余下的能量重新大于时，又可以克服减速电压到达P极板，于是管流继续增加。如果电子经过加速得到的总能量时，电子又会与汞原子发生第二次碰撞，造成第二次管流下降。如此周而复始，只要就发生这种碰撞。因此只要改变加速电压，并用X-Y记录仪记录相应的管流I与电压U的关系，得到的I-U曲线上将出现多次上升与下降。实验内容按图一所示线路图接线，打开控温仪对F-H管加热，温度控制在180℃左右。在量程允许以及不击穿的条件下调节，，的值，扫描电压的变化范围约为0-90V，重复扫描并记录对应的I-U曲线，可以观察到不同参数曲线形状各有差别，见图A、B、C。对应于图中各条

6、曲线的实验参数如下表：2008年6月第5页共5页PHY.01近代物理实验课期末小论文王凯琳表一汞原子第一激发电位测量参数（其他条件：T=180℃x轴坐标尺度5V/cm）编号/V/V/V/A扫描方式A-11.001.204.50.3自动慢扫A-21.801.204.50.3自动慢扫A-32.201.204.50.0手动B-11.802.004.50.3自动慢扫B-21.801.204.50.3自动慢扫B-31.800.804.50.3自动慢扫C-11.801.200.00.0手动C-21.801.202.00.0手动C-31.801.203.00.0手动C-41.801.204.50.0手动其中

7、为扫描电压为0时的电流值，为灯丝电压。得到的I-U曲线图如下：汞原子第一激发能态曲线图左上：图A，从低到高三条曲线依次为A-1,A-2,A-3右边：图B，从低到高三条曲线依次为B-3,B-2,B-1右上：图C，从低到高四条曲线依次为C-4,C-3,C-2,C-1观察图A、B、2008年6月第5页共5页PHY.01近代物理实验课期末小论文王凯琳C中的各条曲线，不难发现所有的谷值的连线可以构成一条下凹