弗兰克-赫兹实验2讲述.ppt

夫兰克--赫兹实验 [背景] 1914年，夫兰克（J．Frank)和赫兹(G.Hertz）采用慢电子轰击原子的方法，利用两者的非弹性碰撞将原子激发到较高能级。直接证明了原子内部量子化能级的存在，给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。因此他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。 JAMES FRANCK （夫兰克） GUSTAV HERTZ（赫兹） [目的] 1.了解夫兰克-赫兹实验的原理和方法。 2.测定氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在。 [原理] 玻尔理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中每一状态对应于一定的能量，各定态的能量是分立的。原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差值的能量。即 h = E2- E1=?E 电子与原子的碰撞可分为弹性和非弹性碰撞两类.弹性碰撞时，电子动能损耗极小，近似以原速率反向运动，系统动能守恒。非弹性碰撞时，电子损耗大量能量，速率明显减小。系统的动能损耗被原子吸收，此时原子将由底能级向高能级跃迁。 夫兰克一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。设氢原子的基态能量为E1 ，第一激发态的能量为E2 ，初速为零的电子在电位差为U0 的加速电场作用下，获得能量为eU0 ，具有这种能量的电子与氢原子发生碰撞，当电子能量EU0 ＜E2- E1时，电子与氢原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氢原子质量小得多，电子能量损失很少。如果 ，电子与氢原子会产生非弹性碰撞，氢原子从电子中取得能量?E 而由基态跃迁到第一激发态， eU0 = ? E，相应的电位差U0。即为氢原子的第一激发电位。 夫兰克--赫兹实验电路原理 夫兰克一赫兹实验电路原理如图1所示，在充氩的夫兰克--赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压U2，使电子加速。在极板P和栅极G2之间加有减速电压U3，管内电位分布如图所示。当电子通过KG2空间进入G2P空间时如果能量大于eE3， 就能达到板极形成板流。电子在KG2空间与氩原子发生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于eE3，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。实验时使U2逐渐增加，仔细观察板极电流IP的变化，我们将观察到如图2所示的IP ~ U2曲线。 随着U2 的增加，电子能量增加。当电子与氢原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场而到达板极P，此时板极电流将开始上升。如果电子在KG2空间得到的能量 eU2 =2 ?E，电子在KG空间会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电流下降。在U2 较高的情况下，电子在跑向栅极的路程中，将与氢原子发生多次非弹性碰撞、只要U2 = n ? E（ n=1， 2，…），就发生这种碰撞。在IP ~ U2曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰（或谷）对应的U0之差，即为原子的第一激发电位。 [实验仪器] F-H实验装置包括F-H管、稳压电源、扫描电源和微电流测试仪等部分。 稳压电源输出分EF，E1和E3三组。分别提供灯丝电压UF、控制栅电压U1和减速电压U3。 加速电压U2由扫描电源E2供给，输出波形为锯齿波，扫描分为手动和自动两种。 微电流测试仪用以测量nA数量级的板极电流。 [实验内容] 测绘夫兰克－赫兹管的板流IP与加速电压U2的关系曲线，测定氩原子的第一激发电位U０． 按图连接线路。 根据实验卡的数据，调节灯丝电压UF 、栅极电压U1减速电压U3等参数。 手调加速电压U2，记录IP－U2对应的数值，手工描绘出IP－U2相应的特性曲线，由此算得氩原子的第一激发电位。 注意事项 线路连好后检查无误，方可开启电源。开关电源时应将调节电位器左旋至零。 各参考电压一定要在实验卡给定的数据范围之内，否则将造成管子的老化或激穿。 调节灯丝电压UF时，电流IP在一分钟后达到稳定，才能读数测量。 实验完毕，请先将调节电位器左旋至零，再关闭电源，拆除导线。 [数据记录与处理]1.数据记录 UF= ;UG1= ;UG2P= ; 2.数据处理 (1)逐差法处理数据 (2)作图法处理数据 思考题 １、IP－U2曲线是如何形成的？ ２、IP－U2曲线中的第一个峰值对应的横坐标电压值，是否就是氩原子的第一激发电压？请说明原因。 * * IP ~ U2曲线 原子的激发电位 38 25 12 39 26 13 37 24 11 U2(V) 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 N U2(V) 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 N U2(V)