中大2010级原子定态能级的观测.docVIP

实验30 原子定态能级的观测 理工学院 光信息系 级 班 合作者： 日期： 年 月 日 【背景资料】 1914 年，夫兰克（J.Franck ）和赫兹（G.Hertz）用慢电子和稀薄气体原子碰撞的方法，成功地使原子从低能级激发到高能级；通过测量电子和原子碰撞时传递的能量值，得出了原子发生跃变时吸收和发射的能量是不连续的，而且是完全确定的结论。从而玻尔的量子能态的假设，被夫兰克和赫兹作出了最直接的实验验证。由于这一杰出贡献，1925 年夫兰 克和赫兹共同获得了诺贝尔物理学奖。 【实验目的】 1.通过测量汞原子第一激发电位，了解夫兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化问题时所采用的基本实验方法； 2.了解电子与原子碰撞和能量交换的微观图像，和影响这个过程的主要物理因素。 【实验原理】 原子定态能级的观测实验的原理如图1所示，其中充汞的三极管称为夫兰克—赫兹（F—H）管。电子由热阴极K发射，阴极K和栅极G之间的加速电压VGK使电子加速，在阳极A与栅极G间加有反向拒斥电压VAG，管内空间电位分布如图2所示。 当电子通过KG空间进入GA空间时，如果能量E≥eVAG，就能冲过反向拒斥电场而到达阳极A而形成阳极电流，由微电流计pA检出。如果电子在KG空间与汞原子碰撞，把自己的一部分能量给了汞原子后而使后者激发的话，则水银蒸汽发出一条明线光谱，同时电子也有可能在通过栅极后本身所剩余的能量已不足以克服反向拒斥电场而被折回到栅极，这时通过微电流计的电流将显著减小。图3所示的曲线就是夫兰克和赫兹当年测得的电子在KG空间与汞原子进行能量传递的情况。该曲线的明显特征是：（1）随VGA 的增加，板流IA 显示出一系列极大值和极小值；（2）各极大值（或各极小值）之间的间距为4.9伏。 对于别的原子，如单原子的惰性气体（He，Ne，Ar等）和单原子的金属蒸汽所做的实验，都得到了和图三相似的结果。夫兰克和赫兹正是从这些实验曲线出发，测定了汞原子的第一激发电位（4.9伏）。后来，他们对仪器作了改进，又测出较高的激发电位和电离电位，从而证明了原子内部能量状态的不连续性。 【实验装置】 本实验的实验装置包括夫兰克—赫兹 (F—H)管，夫兰克——赫兹实验仪,WMZK型温度指示控制仪，Tektronix TDS3012B数字荧光示波器以及 Keithley 2700 数据采集/程控开关/数字多用表。 F H 管的工作原理如图 4。图中 VF为灯丝电压，1－6V连续可调；VG1K 为第一栅极与阴极之间的电压，0－5V连续可调；VG2P 为第二栅极与阳极之间的电压（即反向电压），0－15V 连续可调；V加速 为加速电压，0－90V 调节（手动连续可调或自动扫描）；微电流测量范围10-4 －10-7 A；测量精度≤5%。 夫兰克——赫兹实验仪外形图如图5所示，每个控制部件的作用为（序号与外形对应）： 前面板，包括 1． 电源—电源开关接通时,指示灯亮。 2． 加速— 手动调节加速电压,采用多圈电位器,调节幅度为0— 90V以上。 3． VG2P —为第二栅极与阳极之间的电压（即反向电压），调节幅度0－15V。 4． VG1K 为第一栅极与阴极之间的电压，0－5V。 5． VF —控制F-H管的灯丝电压，幅度为1—6V。 6． 记录仪—用于连接记录仪 X，Y输入端。 7． 电流表—微电流计各档电流指示。 8． 量程—微电流计换档开关10-4 —10-7 A。 9． 选择—工作方式换挡开关,分别对应手动,记录仪,示波器和计算机四个功能。 10．电压—电压指示换档开关，结合数字面板表的指示，可分别显示加在 F-H 管上的四个电压。 11．数字面板表—用于电压指示。 后面板，包括 1．Y —用于示波器观察,接示波器Y输入。 2．X—用于示波器观察,接示波器X输入。 3．计算机接口—用于计算机。 4．增益调节—用于调节输入计算机的“F-H管电流信号”幅度大小。 5．增益调节0~15V —调节输入到示波器X轴的电压幅度。 6．外接 F-H管—用于连外部的F-H管，此时不用内部的 F-H管。 【实验步骤】 1． 使用方法 （1） 接上WMZK温度指示控制仪电源，打开开关，控制仪绿灯亮。调节温度控制开关，定好目标温度（见F-H管侧面），加热约半小时，控制仪红灯亮，表示加热完成，可进行实验。 （2） F-H实验仪开机前将微电流级置于10-7A档，各档电压分别旋到最小值。 （3） 接通电源，按照F-H管所提供的各极电压参考数据设置电压（F-H管各极电压参考数据贴在管的侧面板上）。先将电压选择开关置于VF 位置，调节VF（1~6V）旋钮，观察数字面板表上指示的电压到参考电压的数值；然后将电压选择开关置于VG1K 位置；