弗兰克-赫兹实验 - LAMOST.ppt

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1、弗兰克-赫兹实验电科091佟明旭实验背景１９１４年，弗兰克（JamesFranck，1882~1964）和赫兹(GustarHertz,1887~1975)在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持４.９ｅＶ，即汞原子只接收４.９ｅＶ的能量。这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。由于他们的工作对原子物理学的发展起了重要作用，曾共同获得１９２５年的物理学诺贝尔奖。实验目的1.本实验通过对氩原子第一激发电位

2、的测量，了解弗兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和方法；2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像，以及影响这个过程的主要物理因素．实验原理玻尔原子理论的两个基本假设：(1)定态假设。原子只能处在一些稳定的状态中，其中每一状态对应一定的能量值Ej(j=1，2，3.。。。)。这些数值是彼此分立的，不连续的。(2)频率定则。当原子从一个稳定状态过度到另一个稳定状态时，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系：其中h=6.63×10ˉ³4J·s，称为普朗克常数。ν为频率，En、Em为两个不同定态的能量电离∞EnEm

3、E1第一激发态E0基态hv=En-Em原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或放出电磁辐射时，二是当原子与其他粒子发生碰撞而交换能量时。本实验就是利用具有一定能量的电子与氩原子相碰撞而发生能量交换来实现氩原子状态的改变。由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需能量不能小于该原子从基态跃迁到第一受激态时所需的能量，这个能量称为临界能量。当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞（电子不损失能量）；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞（电子把数值为△E=E2-E1的能量交给氩原子，只保留余下的部分）；设E2和E1分别为原子的

4、第一激发态和基态量。初动能为零的电子在电位差U0的电场作用下获得能量eU0，如果eU0=hν=E2-E1当电子与原子发生碰撞时，原子将从电子获取能量而从基态跃迁到第一激发态。相应的电位差Ug就称为氩原子的第一激发电位。当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。弗兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，弗兰克一赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充氩四级管。阴极K，板极A，第一栅极G1、第二栅极G2。第一栅极G1的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。第一栅极G1与阴极K之间的电位差由电源UG1提供。电源Uf加热灯丝，使旁热式阴极K被加热，从而产生慢

5、电子。扫描电源加在栅极G2和阴极K间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内氩蒸气朝栅极G2运动。图1弗兰克-赫兹实验原理图电子氩原子KG2G1AIpUG22UG1UP灯丝电压Uf9微电流仪在充氩的弗兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出并有热阴极K和第二栅极G2之间的加速电压VG2使电子加速。在板极P和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压VP用以阻碍电子从栅极飞向阳极。当电子通过空间KG2进入空间G2P时，如果具有的能量较大（E1-E0>eVP），就能冲过反向拒斥电场而达到阳极形成阳极电流，用微电流计A测出。。abcI(nA)OU1U2U3U4U5U6U7VG2(

6、v)如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把一部分能量传递给氩原子使其激发，电子本身所剩余的能量就很小，以至通过第二栅极后以不足克服拒斥电场而被斥回到第二栅极。这时通过微电流计的电流就将明显减小电子在不同区间的情况：1.K-G1区间电子迅速被电场加速而获得能量。2.G1-G2区间电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差E＝E2E1时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到E，则在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。E称为临界能量。弗兰克-赫兹管的Ip-VG2曲线电子氩原子KG2G1

7、AIpUG22UG1UP灯丝电压Uf9微电流仪3.G2-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。当电子进入此区间时的能量小于Eu,则不能达到板极。由此可见，若eνG2<E，则电子带着eνG2的能量进入G2-A区域。随着νG2的增加，板极电流Ip增加（如图2中Oa段）形成第一个波峰。若eνG2＝E则电子在达到G2处刚够临界能量，不过它立即开始消耗能量了。继续增大νG2，电子能量被吸收的概率逐渐增加，板极电流逐渐下降（如图2中ab段）形成第一个波谷。继续增大νG2，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc段）出现第