夫兰克—赫兹实验.doc

实验46 夫兰克赫兹实验1914年夫兰克（F.Frank）和他的助手赫兹（G.Hertz）在研究气体放电现象中电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子能量呈现周期性变化，间隔为4.9eV，并拍摄到与能量4.9eV相对应的光谱线253.7nm，即采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法，简单而巧妙地直接验证了原子能级的存在，证实了原子内部能量是量子化的，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。由于此项工作卓越的成就，1925年夫兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。1900年是量子论的诞生之年，它标志着物理学由经典物理迈向近代物理。量子论的基本观念是能量的不连续性，即能量是量子化的。夫兰克赫兹实验充分证明了原子内部能量是量子化的。通过这一实验可以了解到原子内部能量量子化的情况，学习和体验夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的实验思想和方法。夫兰克赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。重点难点提示 1.夫兰克赫兹管中电子和氩原子的能量交换过程。测量氩原子第一激发电位的方法。2.为什么说夫兰克赫兹实验为玻尔的原子理论提供了有力的证据。 目的要求1通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。了解夫兰克赫兹是用什么方法直接证明了原子内部量子化能级的存在。2分析灯丝电压、拒斥电压等因素对F-H实验曲线的影响。3了解计算机实时测控系统的一般原理和使用方法。实验仪器微机化夫兰克-赫兹实验系统原理及实验装置图如图7.46.1（a）、（b）所示。直流稳压电源程控直流稳压电源灯丝电压第一阳极栅极电压夫兰克赫兹管直流稳压电源程控直流微电流表计算机现场总线现场总线板极电流拒斥电压 （a） （b）图7.46.1 （a） 弗兰克-赫兹实验系统原理图 （b）弗兰克-赫兹实验装置图本实验仪是用于重现1914年夫兰克和赫兹进行的低能电子轰击原子的实验设备。本实验仪为一体式实验仪，有供给夫兰克赫兹管用的各组电源电压，测量微电流用的放大器。实验仪能够获得稳定的实验曲线。本实验仪除实测数据外还可和示波器，X-Y记录仪及微机连用。 实验原理根据玻尔理论，原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子，当原子与一定能量的电子发生碰撞，可以使原子从低能级跃迁到高能级（激发）。如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有：电子在电场中获得的动能在和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态，V1称为原子第一激发电势（位）。进行F-H实验通常使用的碰撞管是充汞的，充汞管需要配加热炉用于改变汞的蒸气压。除用充汞的外，还常用充惰性气体的，如充氖，氩等的碰撞管。而这些碰撞管，温度对于气压影响不大，并且只需在常温下就可以进行实验。对于四级式充氩F-H碰撞管，实验线路连接如图7.46.2所示。图7.46.2 F-H管实验线路连接图其中为灯丝加热电压，为正向小电压，为加速电压,为减速电压。F-H管中的电位分布如图7.46.3所示。图7.46.3 F-H管电位分布图电子由阴极发出，经电场加速趋向阳极，只要电子能量达到能克服减速电场就能穿过栅极到达板极形成电流，由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原子发生碰撞。如果电子能量小于第一激发能，它们之间的碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒原理不难推得电子损失的能量极小，电子能如期的到达阳极。如果电子能量达到或超过，电子与原子将发生非弹性碰撞，电子把能量传给气体原子，要是非弹性碰撞发生在附近，损失了能量的电子将无法克服减速场到达极板。这样，从阴极发出的电子随着从零开始增加，极板上将有电流出现并增加，如果加速到栅极的电子获得等于或大于的能量，将出现非弹性碰撞而出现的第一次下降，随着的增加，电子与原子发生非弹性碰撞的区域向阴极移动，经碰撞损失能量的电子在趋向阳极的途中又得到加速，又开始有足够的能量克服减速电压而到达阳极，随着增机又开始增加，而如果的增加使那些经历过非弹性碰撞的电子能量又达到则电子又将与原子发生非弹性碰撞造成的又一次下降。在较高的情况下，电子在趋向阳极的路途中会与电子发生多次非弹性碰撞。每当造成的最后一次非弹性碰撞区落在栅极附近就会使曲线出现下降，随变大出现如此反复下跌将出现如附录中测量所示的曲线。曲线的极大和极小出现明显的规律性，它是能级量子化能量反复被吸收的结果，也是原子能级量子化的充分体现。就其规律来说，每相邻极大或极小值之间的电位差为第一激发电势（电位）。实验内容与步骤1.氩原子的第一激发电势的测量实验测定夫兰克-赫兹实验管的曲线，观察原子能量量子化情况，并由此求出氩气管中原子的第一激发电势。(1)示波器演示法连好主机的后面板电源线，用Q9线将主机正面板上 “输出”与示波器上的“X相”（供外触发使用）相连，“输出”与示波器“Y相”相连； 将扫描开关置于“自动”档，扫描速度开关置于“快速”档，微电流放大器量程选择开关置于“”；分别将示波器“”、“”电压调节旋钮调至“”和“”，“”调至“”，“”全部打到“”；分别开启主机和示波器电源开关，稍等片刻；分别调节、电压（可以先参考给出值）至合适值，将由小慢慢调大（以F-H管不击穿为界），直至示波器上呈现充氩管稳定的曲线；(2)手动测量法调节至最小，扫描开关置于“手动”档，打开主机电源；选取合适的实验条件，置、于适当值，用手动方式逐渐增大，同时观察变化。适当调整预置、值，使由小到大能够出现5个以上峰。选取合适实验点，分别从数字式表头上读取和值，再作图可得曲线，注意示值和实际值关系。例：表头示值为“”，电流量程选择“”档，则实际测量电流值应该为“”；表头示值为“”，实际值为“”。实验过程由多媒体计算机辅助实验系统软件进行监控。具有多媒体实验资料查询、实验装置自动控制、实验过程适时监控、实验数据自动采集、试验数据处理及检验、实验数据打印及存档等功能。2调整F-H实验装置，定性观察微电流随加速电压变化的情况。连接实验仪器，选择适当的实验条件，如2V，1V，8V ，用手动方式改变同时观察微电流计上的随的变化情况。如果增加时，电流迅速增加则表明F-H管产生击穿，此时应立即降低。如果希望有较大的击穿电压，可以用降低灯丝电压来达到。3测出曲线，求出氩原子的第一激发电位。适当调整实验条件使微电流能出现5个峰以上，波峰波谷明显。【注意事项】1灯丝电压不宜放得过大，一般在2V左右，如电流偏小再适当增加。2不同的实验条件，有不同的击穿值，要防止F-H管击穿（电流急剧增大），如发生击穿应立即调低 以免F-H管受损。3实验完毕，应将各电位器逆时针旋转至最小值位置。数据表格表7.46.1. 利用手绘或记录仪测量氩的的数据。仪器型号_，量程_，最小分度值_，准确度等级_。（）（）（）（）（）（）（）（）数据处理1用曲线的峰或谷的位置电位差求平均值；2用最小二乘法处理峰或谷位置电位： 其中为峰或谷序数，为特征位置电位值，为拟合的第一激发电位。3降低或增加灯丝电压，观察曲线的变化，记录第一峰和最末峰的位置，推断灯丝电压对曲线的影响。结果表示1选取合适的实验点记录数据，使之能完整真实的绘出曲线或用记录仪记下曲线；根据曲线，求出氩的第一激发电位。2用计算机采集得到氩管的曲线；用谷谷差平均值求得氩的第一激发电位。分析讨论1能否用氢气