夫兰克-赫兹实验报告.doc

夫兰克-赫兹实验一实验简介1914年弗兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)用电子碰撞原子的方法，观察测量到了汞的激发电位和电离电位（即著名的Frank-Hertz实验）。从而证明了原子等级的存在，为早一年玻尔发表的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。为此他们分享了1925年诺贝尔物理学奖金。他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 本实验应用Frank-Hertz实验方法实现电子气和Hg原子的碰撞，以观察Hg原子能级跃迁并对Hg原子第一激发电位进行测量。通过本实验可以深刻理解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法，了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。二实验原理1. 电子与气态Hg原子的碰撞利用电子和气态Hg原子的碰撞时最容易实现Frank-Hertz实验的方法。为实现原子从低能级En向高能级Em的跃迁，通常可以通过吸收确定频率的光子来实现。而光子的能量等于两个能级之间的量差，即时，原子吸收全部光子能量，发生能级跃迁，式中h为普朗克常量。也可以通过使具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。若与之碰撞的电子式在电势差V的加速下，速度从零加到v,则当电子的能量满足时，电子将全部能量交换给你原子。由于Em - En具有确定的值，对应的V就应该有确定的大小。当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的V称为原子的第一激发电位（或中肯电子）。因此，第一激发电位V所对应的就是第一激发态与基态的能量差。出于激发态的原子是不稳定的，它将以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能级。如果电子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的V称为原子的电离电位。其中61S0（0ev）为基态，63P1（4.9ev）为激发态，63P0（4.7ev）、63P2（5.47ev）为亚稳态。当能量等于63P0，63P1和63P2与基态61S 0之间的能量差，即当能量为4.7 eV，4.9 eV和5.47 eV的电子与Hg原子碰撞时，将有最大的激发概率实现能级间跃迁。由跃迁的选择定则，3P0，3P2到3P1的跃迁是禁戒跃迁，即激发到3P0和3P2的电子不会自发的以辐射出光子的形式跃迁到基态，从而有很长的寿命（达10-3s），63P0，63P2被称为亚稳态。3P1态电子可在10-810-7s内自发的辐射出波长为265.65nm的光子，处于（紫外波段）跃迁到基态61P1，且63P1是能量最低的激发态，通常被称为第一激发态。2.实验原理图：F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射电子，G1控制通过G1的电子数目，G2加速电子，G1、G2空间较大，提供足够的碰撞概率，A接收电子，AG2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。 实验曲线：1）电子和气态Hg原子的碰撞过程及能量交换：碰撞过程和能量交换过程是在F-H管G1G2空间发生的，在加速场的作用下，电子获得动能，在与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，使其不能到达F-H管A极从而不能形成电流。当VG2K= 4.7V时，电子在G2，K空间获得的能量等于4.7eV，与Hg原子发生非弹性碰撞时，使原子激发到63P0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收，但电子可以越过这一区域继续加速，使能量超过4.7eVVG2K = 4.9V时电子在G2附近获得4.9eV的能量，并与Hg原子发生非弹性碰撞，但电子可以越过这一区域继续加速，使能量超过4.7Ev,Hg原子将被使原子激发到63P1，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达A，因而形成第一个吸收峰。同理，当VG2K = 9.8V时，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在G2处失去动能，形成第二个峰。当VG2K = 4.9nV时，将形成第n个峰。2）电子平均自由程对激发或电离的影响主要由炉温决定，还与电子速度等有关。很短，相邻两次碰撞间获得能量小，经多次碰撞能量积累到第一激发态的能量时，能使原子激发到激发态，不容易激发到较高能态。很长，相邻两次碰撞间获得能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在很长，加速电压较高，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能态，甚至电离。3. Hg原子能级：Hg原子的能级图如下图所示：三实验仪器F-H管电源组、扫描电源、微电流放大器、F-H管和温控装置四、实验内容1. 熟悉实验装置，掌握实验条件。2. 测量汞的第一激发电位。3. 测量汞的电离电位和高激发电位。五、实验指导实验重点：1. 理解电子和原子碰撞的理论及产生和观察原子能级跃迁的方法2. 理解充汞蒸气的四极F-H管的工作原理及实验的线路设计图。3. 能正确设置F-H管的工作条件，获得F-H管的IP-VG2K 曲线，并正确进行数据处理，获得Hg的第一激发电位和电离电位。实验难点：1. 控制F-H管内气化汞原子的密度，即控制管内的汞气压式实验成败的关键，应如何判断和控制F-H管内的汞原子的密度。2.F-H管的各参数，包括灯丝电压，UG1K，UG2K，UG2A对实验的影响。操作指导一、主窗口在系统主界面上选择“弗兰克赫兹实验”并单击，即可进入本仿真实验平台，显示平台主窗口实验室场景（图1）。单击鼠标右键可弹出实验主菜单。二、主菜单1系统：分两项子菜单。(1) 介绍。为本实验的简介。在菜单项上单击鼠标可进入相应的项。(2) 退出。回到系统主界面。2实验预习题。这是做实验以前的思考题，要求学生在开始实验之前阅读和思考。3实验原理。(1) 实验原理。详细叙述实验的基本原理和操作中的注意事项。左上角为实验电路图，图中蓝色管状物为FH管，Ug2k连续扫描，右边的变阻器调节灯丝电压Vf。右上角的两个旋钮分别调节温度和Vf的大小，调节温度和Vf到适当大小时，左下角显示曲线图，曲线随温度和Vf大小而改变。调节时可参看右下角的实验原理说明。当温度和Vf调节合适后在屏幕上按右键弹出选择菜单，选择实验原理的演示模式。“实验说明”为波形扫描，“手工调节”为缺省模式，显示最后绘出的波形曲线。如图6。 (2) 实验的理想和经典曲线（图7）。 图74第一电位的测量：(1) 选择“实验说明”，弹出实验说明窗口。学生应仔细阅读以保证实验的顺利进行。(2) 选择“实验过程”，开始实验。在桌面的仪器上双击可弹出相应的仪器操作窗口。微电流仪是本实验的中心，先打开微电流仪的操作面板。然后单击桌面上的温度调节器（在微电流仪右边）弹出温度调节窗口，窗口右边为温度调节旋钮，左边为示波器屏幕。调节温度和Vf旋钮，温度和Vf数值在屏幕右上角的数码管中显示。将鼠标移到数码管上，系统会提示是温度还是Vf。当温度和Vf未调节适当时，微电流仪的伏特表和安培表数码管均为灰色。调节温度和Vf到合适条件，安培表和伏特表数码管均变为红色（表示可用）。 按下MODE按钮开始实验。有两种实验方法：A. 按下MODE按钮，即自动模式。仪器自动增加Ug2k，对整个080V进行扫描。B. 关上MODE按钮。手动调节Ug2k按钮（在Vf按钮下面），仔细观察电流随Ug2k的变化。这样可以反复观察同一段范围内的电流变化。在数字伏特表和安培表上双击可弹出安培表表头。如图11。实验过程中调好温度和Vf就不应再动，否则结果会不准确。(3) 实验数据。显示实验中所记录的数据供分析。实验注意事项1 先将温度调到设定值，打开温控电源，加温指示灯on亮（绿色），到设定温度off指示灯亮（红色）。2 接线，将Vf，VG1K，VG2P，VG2K的旋钮调到最小，到设定温度后，再打开两仪器电源，然后据炉上标签设定各电压值。用“手动”档测曲线。3 实验中若产生电离击穿(电流迅速严重过载)，立即将加速电压调到零，减小灯丝电压，每次减小0.10.2V，重新测曲线。4加热炉的炉温较高，移动时应注意，导线不要挂在炉壁上。5 在实验中注意炉温及灯丝电压的选择。六、思考题1灯丝电压的大小对Ip- VG2K曲线有何影响？答：峰值变大，峰谷也变大。2. 说明温度对充汞Ip- VG2K管曲线影响的物理机制。 答：使得峰值减小。7、 数据记录与处理 （1）实验数据Ip000.2530.3860.4820.7231.0671.9691.256VG213.13.43.84.04.44.95.15.2Ip1.4021.4371.4991.3881.1280.8640.7800.7720.776VG25.55.66.06.57.07.57.87.98.0Ip0.7920.8230.8670.9961.5472.1473.0403.4963.558VG28.18.28.38.59.09.410.010.510.7Ip3.5593.5413.5043.0642.3681.7411.5411.5171.542VG210.810.911.011.512.012.512.813.013.1Ip1.5922.0502.8604.1315.2895.9185.9594.9353.978VG213.213.614.014.515.015.516.016.516.9Ip2.6992.3752.3332.4442.7114.3136.1317.7248.509VG217.517.818.018.218.419.019.520.020.5Ip