赫兹实验的研究.docVIP

2 实验原理及方案 2.1 跃迁原理 根据波尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一个定态相应一定的能量常称为能级，其数值彼此分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子。 然而，原子若与一定能量的电子发生碰撞，也可以使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克—赫兹实验正是利用电子和原子的碰撞来实现这种跃迁。通过控制加速电压，来控制电子的动能，当 式中表示碰撞前后能级的能量，指碰撞前后电子的速度。如果 跃迁到第一激发态；如果， 跃迁到较高激发态；如果，此时原子被电离。 2.2 汞原子的能级结构 本F—H实验使用的碰撞管是充汞的，因为汞是单原子分子，能级较为简单。汞原子是由原子核和核外80个电子组成的，在满的支壳外有两个价电子，在正常情况下，这两个电子都处于6s态，所以它的基态组态为6s2及基态的LS组态为1S0 。处于激发态时，一个6s电子可能被激发到较高的61P1，63P0 1 2， 61D1，63D1 2 3，61F1，63F2 3 4，71S0等能量状态，甚至电离，而另一个电子仍留在6s态。且汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸汽压很低，加热就可改变它的饱和蒸汽压，汞的原子量较大与电子作弹性碰撞时，电子损失的能量极小，且电正性的汞也不容易和电子亲和而形成负离子，可以用来研究电子和原子碰撞的规律。? 2.3 充汞的夫兰克—赫兹管的内部原理 充汞的夫兰克—赫兹管如图2所示。电子由热阴极发出，在整个实验过程中，阴极K和第一栅极G1之间为加速区，第一栅极G1和第二栅极G2为碰撞区（测第一激发电位同时也是加速区），第二栅极G2和极板A为反向区。管内的总体电位如图3所示。当电子通过KG2空间进入G2K空间时，如果有较大的能量（eV反）时，就能冲向反向拒斥电压而达到极板形成电流，为微流计uA表测出，如果电子在碰撞区与汞原子碰撞，把自己的一部分能量传给汞原子，而使汞原子激发，这样电子本身所剩的能量就减小，以至于通过第二栅极后不足于克服拒斥电场而被斥回到第二栅极，这时微流计uA表的电流将显著减小，由汞原子的能级特点决定电流呈规律性的变化。 2.4 测汞的第一激发态电位的原理 测汞的第一激发态电位的电路图如图4所示，第一栅极G1的作用主要是消除空间电荷对阴极发射电子的影响。5所示的曲线反映了KG2空间与电子进行能量交换的情况。当KG2空间电压逐渐增加时，电子在KG2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子相碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）。穿过第二栅极的电子所形成的板极电流将随第二栅极电压的增加而增大（如图5的Oa段）。当G2K间的电压达到时，电子在第二栅极附近与5所示ab段）。随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随之增加，在与A ，这时电流又开始上升（ bc段）。直到G2K间电压是二倍G2K间又会因二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降（cd段），同理，凡G2K之间电压满足： （… ） 都会相应下跌，形成规则起伏变化的曲线。而各次板极电流达到峰值时相对应的加速电压差，即两相邻峰值之间的加速电压差值就是。 ? 2.5 测汞的较高激发态电位的原理 在测汞的第一激发态电位的实验中，电子一般很难达到超过4.9eV的能量。所以它只能用于测量汞原子的第一激发能。如何在管中实现较高能级的激发呢？首先要获得较高能量的电子，其次要提高电子在碰撞区内与原子碰撞的几率。在加速区中，由于路径短，能有较多的电子不与汞原子发生碰撞，这样电子进入碰撞区时能有高于4.9eV的能量。为了提高电子在碰撞区内与原子碰撞的几率，在设计时，使第一栅极G1与第二栅极G2的间距大于电子的平均自由程实验时，把它们连在一起，形成一个等势区。图6给出测量的电路图，等势区内的电场梯度为区的补偿电位。由此电路图所得的碰撞的能量交换的曲线如图7所示碰撞和能量，以及板极电流的形成与第一激发态的过程相似，只是图中显示有多个峰和谷，且大小不一，间距不等，这与第一激发态的规律不同。这是因为这些峰，可能是较高能量的电子与汞原子碰撞，直接把汞原子激发到较高激发态产生的，或者可能是多个能级所产生的峰的叠加，以及各个能级的稳定度不同，及碰撞几率不等等产生的。 2.6 实验方案 本实验所用仪器有：FH—1型充汞夫兰克—赫兹管，FH—1型控制加热炉，FH—1型微电流放大器和扫描电源， FH—1型电源组。 （1）打开控温仪电流开关，旋转控温旋钮，设定实验所需的温度。打开FH—1型微电流放大器和扫描电源， FH—1型电源组开关预热。 （2）用导线将各仪器按电路图正确连接起来。 3）将VF （4）待炉温达到预热温度后（以温度盘指针为准），接通两台仪器的电源，按实验所需的参考