6夫兰克一赫兹实验.doc

夫兰克一赫兹实验 1914年，夫兰克(JFranck)和赫兹(GHertz)在研究充汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸气的电子流随电子的能量呈现周期性变化，同年又拍摄到汞发射光谱的253.7nm谱线，并提出了原子中存在着“临界电位”。1920年，夫兰克及其合作者对原先的装置进行了改进，测得亚稳态能级和较高的激发能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的，从而确证了原子能级的存在。为此，夫兰克和赫兹分享了1925年的诺贝尔物理奖。他们所采用的实验方法至今仍然是探索原子结构的重要手段之一，研究的对象已不仅仅限于汞原子。实验目的 本实验通过对早期夫兰克和赫兹测量汞原子激发电位的实验过程进行分析，提出测量氩原子第一激发电位的方法。通过实验，了解夫兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和方法：了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像，以及影响这个过程的主要物理因素。实验原理 为实现原子从低能级E0向高能级Em的跃迁，可以通过吸收一定频率的光子来实现，为此应有 (1)也可通过与具有一定能量的电子碰撞来实现。若与之碰撞的电子是在电势差U的加速下，速度从零增加到V，并将全部能量交换给原子，则应有： (2)由于具有确定的值，对应的U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U被称为第一激发电位(或中肯电位)。因此，第一激发电位就对应于第一激发态与基态的能量差。处于激发态的原子是不稳定的，它可能以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能级。 当汞原子吸收电子从基态6S10跃迁到第一激发态6P31时，相应的电子加速电压U=49V，即汞原子的第一激发电位是4.9V。汞原子在激发态的平均滞留时间瓦数量级为10-810-7秒，因而跃迁到6P31态的原子将很快通过自发辐射跃迁回到基态，辐射光子的能量为hv=El-E0=4.9V，即辐射波长为253.7nm的紫外光。实验中原子与电子碰撞是在夫兰克一赫兹管(FH管)内进行的。管内充以不同元素的气体就可以测出相应元素的第一激发电位。FH管是个三极管或四极管，现以常见的充汞蒸汽的四极FH管为例，说明其工作原理。如图1所示，四极FH管包括灯丝F附近的氧化物阴极K，两个栅极Gl，G2和板极A。第一栅极G，靠近阴极K，并加有一个小正电压，目的在于控制管内电子流的大小以抵消阴极附近电子云形成的负电位的影响。第二栅极G2靠近极板A，其间加一减速电压，使得与原子发生非弹性碰撞、能量损失的电子达不到极板。G1和G2之间的距离较大，以保证电子与气体原子有足够高碰撞几率。 灯丝F加热阴极K，由K发出大量电子，这些电子经G2、K间电压的加速获得能量，它们在G2、K空间与汞原子遭遇碰撞，把部分或全部能量交换给汞原子，在G2、A间经减速电压减速达到极板A，检流计指示出板极电压的大小。与IP的关系曲线如图2。当4.9V时，电子在G2、K空间获得的能量小于4.9V。实验表明，电子与汞原子的碰撞是弹性的。简单计算可知，在每次碰撞中，电子损失的能量约为其自身能量的10-5倍，即电子几乎没有能量损失。随着上升，板流即将按真空二极管伏安特性曲线逐渐升高，当=49V时，电子在G2附近将获得4.9V的能量，这些电子与汞原子的碰撞是非弹性的，因此，将引起共振吸收，电子把能奄全部传递给汞原子，自身速度几乎降为零。而汞原子则实现了从基态向第一激发态的跃迁。由于减速电压的作用，失去了能量的电子将不能达到极板，IP陡然下降。 当4.9V24.9V时，电子在G2、K空间枳蓄的能量一旦达到4.9V，将与汞原子发生一次非弹性碰撞而损失能量，然后在电场中继续加速，只不过到达G2时重新获得的能量小于4.9V，故非弹性碰撞不会再发生，电子将保持其动能不变达到G2，从而克服的阻力到达极板，表现为IP的又一次上升。 当=249V时，电子在G2、K间与汞原子进行两次非弹性碰撞而失去能量，IP再一次下降。 显然，每当=n4.9V(n=l，2，3，)时，都伴随着IP的一次突变，出现一次峰值，峰间距为4.9V。连续改变，测出与IP的关系曲线，即可求知汞的第一激发电位。 容易证明，一定时，电子达到极板时能量与在G2、K空间和汞原子碰撞的地点无关。不难预料，当管内汞原子密度较大时，电子积蓄的动能每达到4.9eV，将会与汞原子发生一次非弹性碰撞而失去能量，当比4.9V大几倍时，电子与汞原子实现非弹性碰撞就有几个相应的区域，在这几个区域中进行能量交换的几率最大。因此被激发到第一激发态的汞原子跃迁回基态时，将形成一个个可见光环。对于能量大于4.9eV的激发态，由于电子加速过程中积蓄的能量还未达到这些邀基态的能量之前，就已和汞原子进行了能量交换，实现了汞原子向第一激发态跃迁，所以实现向高激发态的跃迁几率就很小了。 但是，如果FH管中汞原子密度较小时，由于电子的平均自由程变大，电子有机会使积蓄的能量大于4.9eV，从而使向高激发态的激发几率迅速增加，因而对于高激发态的加速电位，IP会有相应的峰。当电子能量大于10.4eV时，可以使汞原子电离，出现电离峰。 实际上，由于亚稳态的存在(相应的电位为4.7V，5.47V等等)，以及原子的顺次激发，光电效应，二次电子发射，第二类非弹性碰撞，光致激发和光致电力的存在，使过程变得很复杂。不过，选择合适的工作条件及合理的数据处理方法，仍可得到满意的结果。 为消除上述因素的影响，正确求得被测汞原子的第一激发电位，必须对-IP实验曲线进行数据处理，现介绍两种简单的处理方法： 1)计算各峰问的算术平均值，作为第一激发电位 由于空间电荷对加速电压UF的屏蔽作用和汞蒸汽与热阴极金属氧化物之间有接触电位差的存在，第一峰位不在4.9V。为此，常取第一个峰位为起始直(而不是以坐标原点为起始点)，测出各相邻峰间距，并以其算术平均值为第一激发电位。 2)消除本底电流的影响激发电位曲线各极小值的IP值一般不为零，且随加速电压的升高而上升，这是由于未参加激发原子的电子，二次发射电子以及少数速度很大的电子使原子电离，形成本底电流的结果。由于这些电子的存在，在激发电位曲线上，板流极小值出现在比真实激发电位稍低处，使激发电位的吸收峰发生位移。消除本底电流的方法是作一条联接激发电位各极小点的平滑曲线，求得二曲线的相差曲线，从相差曲线的峰距或从相差曲线各半宽度中点的间距求第一激发电位。如图3所示。实验内容1熟悉实验装置及各控制电源的作用本实验装置由充氩能F-H管、灯丝电源、G1-K空间电荷控制电源、G2-KK空间的直流电源、扫描电源、G2-A间的减速电源及对屏流IP进行放大的直流放大器。IP经放大后可由电流表读出，或用超低频示波器显示，或用XY记