夫兰克-赫兹实验.ppt

夫兰克-赫兹实验,背景和意义 1914年，夫兰克（JFrank)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。证明了原子内部量子化能级的存在，给上一年发表的玻尔理论提供了独立于光谱研究方法直接的实验证据。因此他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。 通过这个实验，能学习弗兰克、赫兹为揭示原子量子化能级所作的巧妙构思和采用的方法，了解气体放电中低能电子和原子间相互作用的机理，电子与原子碰撞的微观过程怎样和实验中的宏观量相联系，并可研究原子内部能量状态与能量交换的微观过程。,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），又称为能级，其中每一状态对应于一定的能量，各定态的能量是分立的。原子在能级间进行跃迁时，要吸收或辐射相当于两定态间能量差值的能量。即 h = E2- E1=E,玻尔理论成功的解释了氢原子和类氢离子光谱的实验规律。关键在于：这个理论中提出了能量量子化的假设，即原子内部存在着一系列不连续的稳定状态能级。 原子内部是否真的存在能级？原子能量是否真的是不连续变化？也就是说，玻尔的定态假设是否正确，这不仅要由这个理论能解释和说明已有的实验事实来证明，更需要进一步通过其它的实验来检验。这样的实验确实存在，这就是1915年由夫兰克和赫兹完成的实验，即夫兰克赫兹实验,夫兰克与赫兹是通过用慢电子与稀薄气体中的原子碰撞的方法使具有一定能量的电子与原子进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁的。 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，此时原子将从低能级向高能级跃迁。,本实验是做一个与夫兰克-赫兹的原始实验类似的实验来测定氩元素的第一激发电位，验证原子能级的存在。 首先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 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： 在充氩气的密闭玻璃管中电子由热阴极发出，阴极K栅极G之间加一加速电压U2，产生加速电场使电子加速。在极板P和栅极G2之间加有减速电压U3，形成一减速电场。当电子通过KG2空间进入G2P空间时如果仍有较大能量就能克服eE3冲过反向电场而达到电极P（板极），成为通过电流计的电流。,如果电子在KG2空间与氩原子非弹性碰撞，把自己一部分的能量给了原子，使后者被激发。电子剩余的能量就可能小于eE3 ，以致过栅极G后已不足以克服反向电场到达不了P，因而也不流过电流计。如果发生这样情况的电子很多，电流计中流过的电流就会地下降，板极电流将会随栅极电压增加而减少，实验很清晰的观察到这一现象。实验时慢慢调节使U2逐渐增加，仔细观察板极电流的变化，将会得到如图2所示的IP U2曲线,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，电子在飞向栅极的路程中，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。,原子的激发电位,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U 按图连接线路 开启电源，F-H管电源组的各档电源严格按贴在F-H管金属外壳上卡片上的数据调整好（灯丝电压UF 、栅极电压U1减速电压U3，特别是灯丝电压不要超过要求的设定值） 开机后预热十分钟后再开始实验,将“手动自动”切换开关拨至“手动”档，“逆时针”旋转扫描旋钮到底，“ 将“微电流倍程”（A）开关置于10-7或10-8档，手调加速电压U2调节旋钮，缓慢增加，全面观察一次的起伏变化情况（要求至少能观察到连续的六个波峰和六个波谷），当微电流表量程不够时要适当改变以扩大量程。,正式测量开始后缓慢旋转调节加速电压U2旋钮，使电压表读数由0V逐渐增大到接近100V左右（许多仪器可能在95V左右），记录下每个峰谷及其两边分别间隔2V处的IP值和对应的U2值。 在坐标纸上选取适当的比例，以为IP纵坐标， U2为横坐标，作曲线。求出各相邻的峰或谷所对应的电压值，求出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