夫兰克-赫兹实验补充实验讲义.doc

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1、补充实验讲义：夫兰克-赫兹实验[实验目的]1、了解玻尔的原子模型理论。2、用实验的方法测定氩原子的第一激发电势，从而证明原子能级的存在。［实验原理］玻尔提出的原子理论指出：(1)原子只能较长地停留在一些稳定状态(简称为能级)。原子处在这些能级时，不发射或吸收能量；原子在各能级时有确定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个能级跃迁到另一个能级。(2)原子从一个能级跃迁到另一个能级而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。如果用Em和En代表有关两能级的能量的话，辐射的频率n由如下关系确定：hn=Em-E

2、n(1)(1)式中h为普朗克常数,其公认值为：h=6.63×10-34J·S为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过让具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。设初速度为零的电子在电势差为U。的加速电场作用下，获得能量eU。当具有这种能量的电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量交换。如以E1代表气体原子的基态能量、E2代表原子的第一激发态能量，那么当该气体原子接受从电子传递来的能量恰好为eU0=E2-E1(2)时，气体原子就会从基态跃迁到第一激发态。而相应的电势差U0称为该气体元素的第一激发电势(或

3、称中肯电势)。测定出这个电势差U0，就可以根据式(2)求出基态和第一激发态之间的能量差了。夫兰克—赫兹管的构造原理如图1所示。在夫兰克—赫兹管中充待测气体，灯丝电源Vf给灯丝和阴极K加热，电子由热阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加正电压，其作是消除电子在阴极附近的堆积效应，起到控制电子流大小的作用。第二栅极的加速电压使电子加速，在阳极P和栅极G之间加有反向拒斥电压。管内空间电势分布如图2所示。当电子通过空间进入空间时，如果有较大的能量(≥eVPG2)，就能冲过反向拒斥电场而到达阳极形成阳极电流IP，为微电流计检出。如果电子在空间与

4、待测气体原子碰撞，把自己一部分能量给了待测气体原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以至通过第二栅极后已不足以克服拒斥电场而被折回到第二栅极。这时，通过电流计的电流就将显著减小。实验时，使间的电压VG2逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示。如果原子能级确实存在，而且基态与第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观察到如图3所示的IP～VG2的曲线。图3所示的曲线反映了在空间电子与气体原子进行能量交换的情况。当空间电压逐渐增加时，电子在空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原

5、子相碰撞也只有微小的能量交换(为弹性碰撞)。穿过栅极的电子所形成的板流将随栅极电压VG2的增加而增大。当电子的能量达到待测气体原子的第一激发电势U0时，电子在空间与气体原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于把绝大部分能量交出，即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回栅极(被筛选掉)。所以阳极电流将显著减小。如果第二栅极电压继续增加，电子的能量又随之增加，在与气体原子相碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到阳极P，这时电流又开始上升。直到电子的能量达到二倍于气

6、体原子的第一激发态能量时，电子在间又会因二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次阳极电流的下降。因此凡在栅极电压VG2=nU0+E(n=1,2,3…)(3)的地方阳极电流IP都会相应下跌，形成规则起伏变化的～VG2曲线。式(3)中的E为与金属电子逸出功有关的某一常量。而各次阳极电流开始下降时所对应的阴栅极电压VG2之差应该是该气体原子的第一激发电势U0。本实验就是要通过实际测量来证实原子能级的存在，并测定出待测气体原子的第一激发电势U0。如果夫兰克—赫兹管中充以不同的气体元素，则各元素的第一激发电势如(表1)所示：表1几种元素的第

7、一激发电势元素钠(Na)钾(K)锂(Li)镁(Mg)汞（Hg）氦(He)氖(Ne)氩(Ar)U0/V2.121.631.842.714.921.216.811.8［实验仪器及其简介］夫兰克-赫兹实验仪该仪器采用充氩气的四极管做成的夫兰克-赫兹管。仪器面板结构如图5所示：面板结构图说明：1．夫兰克-赫兹管阳极电流IP指示，电流单位nA；2．电流表量程转换，有20nA、200nA、2KnA三档电流的量程可选择；3．电压指示，可与右边的电压测量选择开关配合使用，以分别显示VG2、VP、、Vf各档电压；4．电压测量选择开关；5．电源开关；6．电

8、压增减调节按键；7．自动扫描时的“快速”和“慢速”转换；8．“手动”、“自动”选择开关；9．阳极电流IP信号输出插口，信号幅度为0-2V，用示波器观察时接示波器“Y”插口；10．第二栅极电压VG2信号输出插