夫兰克-赫兹实验.doc

215实验63 夫兰克赫兹实验夫兰克赫兹实验根据玻尔理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中每一状态对应一定的能量，其数值是彼此分离的。原子的核外电子在能级间进行跃迁时要吸收或发射定值的能量。原子内部能量的量子化，也就是原子的间隔能级的存在，除由光谱的研究可以推得外，还有今天的实验可以证明。原子与具有一定能量的电子发生碰撞，就可以使原子从低能级跃迁到高能级。1914年（玻尔理论发表的第二年），夫兰克（J.Franck）和赫兹（G.Hertz）用慢电子与稀薄气体中的原子碰撞的方法，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交换的某一定值的能量，直接证明了玻尔提出的原子能级的存在，并指出原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的。他们因这一伟大的成就而获得1925年的诺贝尔物理学奖。设和分别为原子的第一激发态和基态能量。初动能为零的电子在电位差的电场作用下获得能量，如果 （6-3-1）那么当电子与原子发生碰撞时，原子将从电子攫取能量而从基态跃迁到第一激发态。相应的电位差就称为原子的第一激发电位。【实验目的】1. 了解玻尔原子理论的基本内容。2. 通过测定氩原子的第一激发电位，验证玻尔的原子理论。【实验原理】本实验通过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，证明原子能级是量子化的。夫兰克赫兹实验仪器的最初设计如图6-3-1所示，椭圆形的玻璃器为夫兰克赫兹管，在管中充入要测量气体。电子由阴极K发出，在K与栅极G之间加电场使电子加速，在G与板极A之间有一反向拒斥电压。当电子通过KG空间，进入GA空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反电场而达到板极A，成为通过电流计的电流。如果电子在KG空间与原子碰撞，把自己的一部分能量给了原子，使后者被激发，则电子剩余的能量就可能很小，以致过栅极G后已不足以克服反向拒斥电压，那就达不到A，因而也不流过电流计。如果发生这样情况的电子很多，电流计中的电流就要显著地降低。为了消除空间电荷对阴极电子发射的影响，在阴极附近再增加一栅极G1，构成四极管。如图6-3-2所示。 图6-3-1夫兰克赫兹实验装置图 图6-3-2 改进后的夫兰克赫兹实验装置图最常见的夫兰克赫兹管是充汞蒸汽或氩气的。下面以充氩的四极管（图6-3-2）为例说明实验原理。实验时，把KG2间的电压（加速电压）逐渐增加，观察电流计的电流。这样就得到板极电流随加速电压的变化情况，如图6-3-3所示。当夫兰克赫兹管中的灯丝加热时，被加热的阴极K发射大量的电子，第一栅极G1与阴极K之间加上约2V的电压（），其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响。阴极发射的电子经过第一栅极后，在第二栅极G2与阴极K之间的加速电压的作用下，向栅极G2作加速运动，图6-3-3 曲线电子在加速运动过程中，必然要与氩原子发生碰撞。如果碰撞前电子的能量小于原子的第一激发电位对应的能量e（对氩原子=11.5V），那么它们之间的碰撞是弹性的。（这类碰撞过程中电子能量损失是很小的，仅为其本身能量的约10-5倍。）然而如果电子的能量e达到e（实验中），那么电子与原子之间将发生非弹性碰撞。在碰撞过程中，电子的能量传递给氩原子。假设这种碰撞发生在栅极附近，那些因碰撞而损失了能量的电子在穿过栅极之后无力克服反向拒斥电压而到不了板极A，因此这时板流开始下降。随着的增加，电子与原子的非弹性碰撞区域将向阴极方向移动。经碰撞而损失能量的电子在奔向栅极的剩余路程上又得到加速，以致在穿过栅极之后有足够的能量来克服反向拒斥电压而达到板极A。此时，板流又将随增加而升高。若的增加使电子在到达栅极前其能量又达到，则电子与氩原子将再次发生非弹性碰撞，即又一次下降。在 较高的情况下，电子在向栅极飞奔的路程上，将与氩原子多次发生非弹性碰撞，每当=（n=1，2，），就发生这种碰撞，即在曲线上出现的多次下降。（在实验中可看出，由于仪器的接触电势的存在，每次开始下降时，所对应的并不是正好落在外加电压处，可能会稍有误差。）对于氩，的每两个相邻峰值的差值均约为11.5V，即氩的第一激发电位为11.5V。【实验仪器】FH-III型夫兰克赫兹实验仪，YB4320A双踪示波器。实验中采用四极夫兰克赫兹管（如图6-3-2所示），该实验装置的巧妙之处在于收集电子的极板A到栅极G2之间加有一定的反向电压（称为“拒斥电压”），对碰撞后的电子进行筛选，能量过小的电子就无法克服拒斥电压顺利到达A极，而被打回栅极。注意：实验中电子流值很小，因此要求夫兰克赫兹实验仪中的微电流放大器应有10-910-13A的灵敏度。【实验内容与步骤】1. 测量氩原子的第一激发电位1) 准备工作 插上电源，拨动电源开关，指示灯亮。 将“手动自动”切换开关拨至“手动”档，“扫描”旋钮逆时针旋转到底，“灯丝电压”（V）选择开关位置不变，“微电流倍程”（A）开关置于10-7档。 将“电压分档切换”开关拨至1.3-5V档位，旋转1.3-5 V调节旋钮，使电压表读数为2V，即阴极至第一栅极电压为2V。 将“电压分档切换”开关拨至1.3-15V档位，旋转1.3-15V调节旋钮，使电压表读数为4.5V，即板极至第二栅极电压（拒斥电压）为4.5V。 将电压分档切换开关拨至0-100V档位，旋转0-100V调节旋钮，使电压表读数为0V，即阴极至第二栅极电压（加速电压）为0V。步骤至为实验前的准备工作，其中取2V及取4.5V是厂家建议采用的电压值，仪器必须预热10分钟后才能开始做实验。2) 粗测将“微电流倍程”（A）开关置于10-7或10-8档，旋转0-100V（）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。3) 正式测量缓慢旋转0-100V（）调节旋钮，使电压表读数由0V逐渐增大到100V，记录下每个峰谷及其两边分别间隔2V处的值和对应的值 。为了便于作图和计算，要求至少记录36组数据。在坐标纸上选取适当的比例，以为纵坐标，为横坐标，作曲线。根据各相邻的峰或谷所对应的值，求出氩原子的第一激发电位。2. 用示波器观察波形 将手动自动切换开关拨至“自动”档，并将赫兹实验仪背面Y输出、X输出分别与YB4320二踪示波器的通道2输入端【CH2 INPUT(Y)】与【EXT】输入端连接，垂直方式工作开关（VERTICAL MODE）拨至（CH2），触发方式置于自动，触发源置于外触发。打开示波器电源开关，调节X、Y 衰减器开关（VOLTS/DIV），观察示波器显示屏上显示的随时间变化的曲线（实际上是随变化的曲线）的情况。【实验注意事项及故障的排除】1. 实验中（手动档）电压加到60V以后，要注意电流输出指示，当电流表指示突然骤增，应立即减小电压，以免管子击穿损坏。2. 实验过程中如要改变第一栅极与阴极（）和第二栅极与阳极（）之间的电压时，请将0-100V调节旋钮逆时针旋到底，再行改变以上电压值。3. 本实验装置灯丝电压分3V、3.5V、4V、4.5V、5V、5.5、6.3V，可在不同的灯丝电压下重复上述实验。如发现波形上端切顶，则板极输出电流过大，引起放大器失真，应减小灯丝电压。灯丝电压太大太小都不好，太小了参加碰撞的电子数少，反映不出非弹性碰撞的能量传递，造成曲线峰谷很弱，甚至得不到峰谷；反之则易使微电流放大器饱和，引起曲线的阻塞。4. 如果曲线峰谷差值小，可以适当调节（拒斥电压），因为偏大或偏小，峰谷差都小。偏小时，起不到对非弹性碰撞后失去能量的电子进行筛选作用，峰谷差小；偏大时，许多电子又因能量小而不能到达极板形成板流, 所以峰谷差仍然小。【实验数据处理及分析】自拟表格记录从0100V 增大过程对应的峰、谷及其两端间隔约2V处的 和数值。要求至少记录36组数据，用逐差法求出氩的第一激发电位。以加速电压为横坐标，板极电流为纵坐标作图。【思考题】1. 如何通过夫兰克赫兹实验计算出氩原子从第一激发态跃迁回基态所辐射出的光波的波长？（提示：）2. 在本实验中能否得到高激发态电位，为什么？若不能，你能给一点测试或改进的意见吗？3为什么曲线峰值越来越高？ 【附 录】I. 历史知识夫兰克（JamesFranck，18821964）是德国物理学家，1882年8月26日生于汉堡，1906年获柏林大学博士学位，1917年起任威廉皇帝物理化学研究所物理部主任。1934年移民美国，1935及1938年先后任约翰霍布金斯大学和芝加哥大学教授。1955年因光合作用方面研究的贡献获得美国科学院勋章。他还是英国皇家学会会员。第二次世界大战后获得德国物理学会马克斯普朗克奖章以及格丁根荣誉公民称号。1964年5月21日在访问格丁根时逝世。他一生从事原子物理、核物理、分子光谱学及其在化学上的应用和光合作用等研究。 夫兰克在物理学中的主要贡献是最早通过电子和原子碰撞实验直接证实玻尔于1913年提出的有关原子定态假设的正确性。1912到1914年他和G.L.赫兹（18871975）进行了一系列实验，利用电场使热阴极电子加速，获得能量与管中汞蒸汽原子发生碰撞。实验发现电子能量未达到某一临界值时，电子与汞原子发生弹性碰撞，电子不损失能量；当电子能量达到某一临界值时，发生非弹性碰撞，把电子的一定能量传递给汞原子，使后者激发，可以观察到汞原子跃迁的发射谱线。夫兰克一赫兹实验的结果，表明了电子的能量只能是一系列离散值，说明了原子的能级是分立的，直接证明了量子理论。夫兰克和赫兹因此于1925年同获诺贝尔物理学奖。此外，他还研究了电子和原子及分子的碰撞、原子跃迁和原子中的能级、原子系统中的能量在荧光情况下的转移等问题，阐明分子间力与分子光谱的关系。提出分子中的电子跃迁比分子振动要快的多，并由此导出了夫兰克康登原理，作为分子电子光谱带振动结构强度分布的基本原理。II. 基态、激发态及跃迁的基本知识基态：就是原子周围电子处于能量最低状态。根据原子物理学知识可知，氩原子Ar18的核外电子轨道能量的由低到高排布为：1s2s2p3s3p4s3d4p，氩原子Ar18基态的核外电子排布为：1s22s22p63s23p6，如图6-3-4所示。激发态：当原子获得能量后，足以将基态3p轨道上某一电子激发到4s轨道上，此时电子组态为1s22s22p63s23p54s1，这个组态称为第一激发态，这个过程称为激发。能量高于基态的任何一种状态都属于激发态，但所有的激发态都是介稳态，他们的寿命一般很短。可以这样说，一种元素活性取决于它的激发态的寿命长短。跃迁：是核外电子在不同轨道（能态）间的运动过程。处于基态的Ar原子的3p轨道上一电子获得能量，原子被激发，3p轨道那一电子被送到4s轨道，这一过程称为跃迁。同理，在激发态原子极不稳定，寿命极短，被送到4s上电子又会跃迁到3p轨道上。图6-3-4如He-Ne激光器的632.8nm激光产生过程：通过泵浦将He原子激发到第一激发态（即电子跃迁到高能量轨道），由于He原子的第一激发态的能量与Ne第二激发态的能量相近，通过系间窜越，处于He原子第一激发态的电子转移到Ne第二激发态上，又寿命很短，处于第二激发态的电子跃迁到Ne的第一激发态，这一跃迁过程将能量以光子的形式释放，即为大家所熟悉的632.8nm 单色光。III. 激发与电离激发是将基态的原子核外电子送到高能量轨道（从外界接受能量），但这时原子仍为原子状态，只是原子能量高了，原子处于活跃状态。电离是从外界吸收能量，将原子核外某个电子打掉（即让原子失去一个或多个电子），此时原子已变成离子状态。IV. 激