2013夫兰克-赫兹实验.doc

夫兰克-赫兹实验修改：2013-8 by zhangxf一、实验简介1914年夫兰克(JFranck)和赫兹(GHertz)所作的实验(即著名的Franck-Hertz实验)，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。从而证明了原子能级的存在，为前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年的诺贝尔物理学奖。他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一.为了研究原子内部的能态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用低速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原子内部量子化能级的存在。二、实验目的1、观察Ar、Hg原子能级的量子化现象2、观测实验各参数对实验曲线的影响3、测量Hg或Ar原子的第一激发电位4、测量Hg原子的电离电位三、实验原理注：请各位先预习大学物理实验第二册第200页开始的实验原理，再预习本讲义。在此修正书上的两处错误：1、第201页第12行：将265.65nm改为253.65nm2、第202页：图4.3.1-2改为本电子版第2页实验方法部分的实验原理图图 1 Hg原子能级图其中61S0（0eV）为基态，63P1（4.9eV）为激发态，63P0（4.7eV）、63P2（5.47eV）为亚稳态。实现能级跃迁 吸收光子 原子与电子碰撞 处于激发态的原子不稳定， 发射光子回到低能态。四、实验方法实验原理图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，提供足够的碰撞空间已保证合适的碰撞概率，P接收电子，PG2加一遏止电压，使损失了动能的电子不能到达P而形成电流。（注：书上讲F-H管的收集极标注为A，而实验设备上标注为P，本文与设备上的标注相同）图2 测激发曲线原理图 实验曲线图 3 激发曲线示意图碰撞过程及能量交换此过程在G1G2空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，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，不能到达P从而不能形成电流。 = 4.7V时，能使原子激发到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。 = 4.9V时，使原子激发到63P1，引起共振吸收，电子速度几乎为零从而不能到达P，形成第一个峰。 = 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。 = 4.9nV时，将形成第n个峰。在实验中，有，其中，E为第一激发电位。电子平均自由程对激发或电离的影响充汞F-H管中的电子平均自由程主要由炉温决定，还与电子速度等有关。很短时，相邻两次碰撞间获得加速能量小，能使原子激发到第一激发态，不容易激发到较高能态。很长时，相邻两次碰撞间获得加速能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在很长，加速电压较高时，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。五、实验内容注：本实验有5套F-H管充氩，另5套F-H管充汞，实验时请前一半同学测氩的数据，后一半同学测汞的数据，之后两边对调测量。l 充氩管F-H实验内容如下：1、 对照图2熟悉实验装置各旋钮、按键的功能与用法，见下图4；2、 将加速电压当成X信号，收集极电流当成Y信号输入示波器；3、 示波器旋钮置于校准位置；4、 在参考值附近50%范围内调节VF、VP、VG1K、VG2K、，观测并用文字描述各实验参数对激发曲线的影响，根据实测Ip-曲线确定各参数；5、 用示波器测量充氩F-H管的Ip-曲线各峰、谷的位置，求出氩原子的第一激发电位；提示：氩原子的第一激发电位等于实验测量值的10倍！图 4 充氩管F-H实验仪6、 课间计算：若已知在汞蒸汽中电子的平均自由程l与温度T、蒸汽压p的关系为：式中为玻尔兹曼常数，汞原子半径nm。根据附录列出的数据分别计算出80、90、100、160、170、180时电子在汞蒸汽中的平均自由程l。附录：汞在不同温度下的蒸汽压温度 /蒸汽压 /Pa603.4706.48011.89021.110036.411061.012099.4130158.1140246.0150374.2160558.5170817.01801172.71901656.32002304.7图 5 充汞管F-H实验仪l 充汞管F-H实验内容如下：1、 对照图2熟悉实验装置各旋钮、按键的功能与用法，并正确连接电路。图5为实物图；2、 设置加热炉温度为160180中某一温度，预热F-H管直到off指示灯亮；3、 选择合适的实验参数（可取参考值）；4、 在4.035.0V内手动扫描汞的Ip-曲线，记录曲线的峰、谷的大概位置，至少测量6组峰、谷的值；5、 在4.035.0V内以0.20.5V为步长（在峰、谷处以0.2V为步长）改变加速电压，测量汞的Ip-曲线，至少测量6个完整的峰；提示：要测出平滑的实验曲线，关键是掌握测量数据的节奏。建议每个调到位后，等待相同的时间间隔(比如3s)再记录Ip。6、 根据实验书上图4.3.1-7所述的方法计算相差曲线，以求汞的第一激发电位；l 由差曲线测汞的第一激发电位（选作，可2人合作）：保持其它实验条件不变，将增大0.10.5V，在4.035.0V内重复测量汞的Ip-曲线，由上述两条Ip-曲线的差曲线求汞的第一激发电位。提示：由于对记录数据的节奏要求较高，从实践看，本部分实验数据效果不易测好，建议作增选内容！l 测汞的第一电离电位（增选，可2人合作）：1、 对照图6连接电路，这样可以将加速区与碰撞区分开；提示：正确连接电路是关键。2、 为提高电子的平均自由程以获得足够的加速，可设置加热炉温度为80100中某一温度，预热F-H管直到off指示灯亮；3、 取参考值；4、 在4.020.0V范围内以0.20.5V为步长（在峰、谷处以0.2V为步长）改变加速电压VG2K以测量Ip-曲线，示意图见图7，确定汞的第一电离电位。图6 测汞的电离电位 图7 测汞的电离电位的Ip-曲线六、实验的重点和难点1、碰撞过程及能量交换2、实验条件的掌握