弗兰克-赫兹实验指导书.doc

夫兰克—赫兹实验 1913年，玻尔（N.Bohr）将量子理论应用到原子上，提出了他的原子理论. 玻尔的原子理论除了由光谱研究得到证实外，1914年，夫兰克（J.Frank）和赫兹（G.Herz）利用低能电子与稀薄气体原子碰撞的方法，直接测得了原子的激发电势和电离电势，证实了原子中分立能级的存在. 夫兰克和赫兹为此获得了1925年诺贝尔物理学奖. 【实验目的】 1．通过对相应电压和微电流的测量，得出氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。 2．学习原子激发的基本过程，理解微观原理。 3．用计算机观测IA～UG2K曲线。 【实验仪器】 F-H6 智能夫兰克—赫兹实验仪 微机 【实验原理】 夫兰克—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。夫兰克—赫兹实验原理如图1所示， 在充氩气的夫兰克—赫兹管中，自由电子从被灯丝加热的阴极K表面逸出，在阴极和控制栅极G1之间的加速电压（第一栅压）的作用下，电子将离开阴极并被加速后通过控制栅极(控制栅极G1是为了消除电子在阴极附近的堆积效应，起到控制电子电流大小的作用)。栅极G2和阴极K之间也存在对电子的加速电压（第二栅压），电子在G1　G2空间内一方面被加速，另一方面可能与氩原子相碰撞。在板极Ａ和栅极G2之间存在使电子减速的拒斥电压。当电子通过栅极G2进入G2A空间时，只有那些动能够大，能克服的电子才能通过栅极G2到达板极形成板极电流。实验时使从零逐渐增加，观察板极电流的变化，将得到如图2所示的―曲线。从图中可以发现，并不总是随的增大而增大。 根据玻尔的原子理论，氩原子在基态的能量为,第一激发态的能量为，在起始阶段，电子的动能，电子与氩原子碰撞时，电子的动能几乎没有损失，电子与氩原子弹性碰撞后仍按原来的速率运动。当与不变时，随着的增加，会有越来越多的电子离开阴极并克服到达板极,使随的增大而增大(见图2 中oa段)。但当增大到时，运动到栅极附近的电子所具有的动能=e正好等于，电子与氩原子发生非弹性碰撞，氩原子从电子那里吸收能量而跃迁到第一激发态,因此称为第一激发电势。电子失去的能量后动能急剧减小，以致不能克服拒斥电压达到板极，使板极电流急剧降低(见图2中ab段)。继续增加，当电子与氩原子碰撞后仍留下足够的能量，可以克服G2A空间的拒斥电压而达到板极A时，板极电流又随的增大而增大(见图2中bc段)。直到=2时，电子的能量等于2（），电子在G1 G2空间会因第二次非弹性碰撞而失去能量，从而形成板极电流第二次下降(见图2中cd段)。 在加速电压较高的情况下，电子在运动过程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞，在―关系曲线上就表现为随着的增加，交替出现的一系列极大值和极小值.由于从阴极发出的热电子有一定的初速度、阴极和板极金属材料不同而使电子的逸出功也不同等原因，整个―曲线将发生沿横坐标的平移,但曲线上任意两个相邻的极大值之间所对应的的差值是不变的，就等于氩原子的第一激发电势 (1) 式中n=1,2,3……，表示第n次出现极大值时所对应的。 【仪器简介】 仪器结构 图3 F-H4智能夫兰克-赫兹实验仪面板示意图 本实验采用正面板示意图见图3，图中①为夫兰克—赫兹管；②为、、及灯丝电流的输出；③为电流显示（表头示值乘以电流显示选择的指示值后为电流实际测量值），④为电流波段开关，分为200μA、、、电流输入I端口及电流显示的调零；⑤为电压显示：可以分别显示（5V）、（15V）、（100V）值；⑥为（5V）、（15V）、（100V）电压显示选择开关，下面的100V调节、15V调节、5V调节分别为、、电压的调节旋钮，扫描幅度调节为在自动扫描时用；⑩为扫描开关（置于“自动”挡时，可在示波器上观察稳定的―曲线图样，置于“手动”挡时记录数据，）；⑦为灯丝电流的选择开关；⑧为示波器的接口；⑿为电源开关；⑨为微机接口；⑾为微机和示波器观察稳定的―曲线图样的选择。 【实验步骤】 1．先将、、、灯丝电流的输出及电流输入I与氩气管的各极用实验连接线相应的连接起来（注：实验前已经连好）。再将灯丝电流调节旋钮打至6档。 2．将电源线插入仪器后面的电源插座内，打开电源开关，数码管亮，预热15分钟后开始做实验。 3．将“手动—自动”切换开关按至“自动”挡，旋动“扫描幅度调节”旋钮到适当位置。 4．将电压显示选择开关打到“5V”档，旋转“5V”调节旋钮，使电压读数为1.8V，即阴极至第一栅极电压为1.8V。 5．将电压显示选择开关打到“15V”，旋转“15V”调节旋钮，使电压表读数为8V左右，即拒斥电压 为8V。 6．将“手动-自动”切换开关打至“手动”档，将灯丝电流调节旋钮打至4档或5档（一般为5档）。再将电压显示选择