弗兰克—赫兹实验

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1、弗兰克一赫兹实验弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子 碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔 的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。1913年丹麦物理学家玻尔（N-Bohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指 出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量E向低能态（能量）跃迁时才辐 射。辐射能量满足E = E -E（1）m n对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。电子氯原子灯丝电

2、压图1弗兰克-赫兹实验原理图1914年德国物理学家弗兰克（J-Franck）和赫兹（G-Hertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定 了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原 子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克一赫兹实验的结 果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹 的实验也于1925年获此奖。【实验目的】1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。3、测量氩原子的第一激发电位；4、证实原子能级的存

3、在，加深对原子结构的了解；【实验器材】智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器【实验原理】夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K，阳极A，G1、G2分别为第 一、第二栅极。K-G1-G2 向电压，为电子提供能量。七用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响， 提高发射效率。G-A加反向电压，形成拒斥电场。2电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大 于或等于e、，就能到达阳极形成阳极电流；.电子在不同区间的情况：1. K-q区间 电子迅速被电场加速而获得能量。2. G1-G2区间电子与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发

4、态与基态的能级差AE=E2-E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到AE,则可能在碰撞中被 氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。AE称为临界能量。若电子进入此区间时的能量小于eU g2a则不能图2弗兰克-赫兹实验% F曲线3. G-A区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。2达到阳极。由此可见，若eUG2KnAE，则电子在进入G-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流I随加 G2K2速电压U变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差AU称为氩原子的第一G2K激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差(2)AE= eAU【实验内容

5、及步骤】测量原子的第一激发电位。通过ug2k-i曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一 激发电位。一、实验步骤1. 将面板上的四对插座（灯丝电压,U G2K :第二栅压,：第一栅压,:拒斥电压f 面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器） 连接好。2 .打开仪器电源，开启计算机（或示波器）。3. “自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动”灯点亮。4. 电流档为10-9A、10fA、10-7A和10-6A、开机时位于“ 10-9A ”本实验保持此档不变。5. 按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压u 、拒斥电压U 、电流量

6、程I预置相 应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“A”键或“。”键，更改预置值，若按下“ ”键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。6. 电子管的加载。同时按下“set”键和”键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压 等四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载”指示灯亮。注意：只有四组电压都加载时，此 灯才常亮。7. 四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验。8. 按下“自动/手动”键，此时“自动”灯点亮。此时仪器进入自动测量状态。9. 在自动测量状态下，第二栅压从0开始变到85V结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置，并 记录相应的第二栅压值。10. 自动状态测量结束后，按“

7、自动/手动”键到“手动”状态，等待5分钟后进行手动测量。11. 改变第二栅压从0开始变到85V结束要求每改变1V记录相应1和值。12. 实验完毕后，同时按下“set ”键+ “ ”键，“加载”指示灯熄灭，使四组电压卸载。13. 关闭仪器电源。二、数据处理1. 作出U曲线确定出1极大时所对应的电压、2. 用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。【思考题】1. U -I曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？G2K21的谷值并不为零而且谷值依次沿k轴升高如何解释？3. 第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？4. 写出氩原子第一激发态与基态的能级差。【注意事项】灯丝电压和加速电压过大会导致电子管电离，电子管电离后电子管电流会自发增大直至烧毁。一旦发现I为负值或正值超过10A，迅速关机，5分钟后重新开机。