弗兰克-赫兹实验

Objective Tomeasurethefirstexcitationpotentialandtheionizationpotentialofmercuryatomsandtoshowthattheenergiesofboundelectronsarequantized 证明Ar原子能级之不连续性和测量其第一激发电压 提供一种有别于光谱学研究 且更直观的方法来验证原子能级的不连续性 三个重要实验之一 证实光量子的存在 黑体辐射 光电效应 康普顿效应证实原子中的量子态 光谱 Franck Hertz实验证实物质波的实验 电子衍射 中子衍射 TheNobelPrizeinPhysics1925 JamesFranckGerman 1882 1964 GustavLudwigHertzGerman 1887 1975 fortheirdiscoveryofthelawsgoverningtheimpactofanelectronuponanatom TheBohrmodel NielsBohr 经典轨道加定态条件 Theassumptionofstableorbits 电子绕核圆周运动 但电子只能处在一些分立的轨道上 且在这些轨道运动时 不产生电磁场辐射定态跃迁 电子在定态轨道上运动 不会产生电磁辐射 但当电子从一个定态轨道跃迁到另一轨道时 会以电磁波形式吸收 或放出 能量角动量量子化 Bohr从对应原理导出角动量量子化的条件 L nh n 1 2 3 BasicideaoftheFranck Hertzexperiment Franck Hertz实验的基本想法光谱实验是从电磁波的发射或吸收研究电子在量子态之间的跃迁 并由电磁波的分立特征 证明量子态的存在 Franck Hertz实验则是用电子束激发原子 若原子果真具有分立的能态 即量子态 则必然仅有某些具有特定能量的电子才能引起原子的激发 1914年 Franck和Hertz进行了电子轰击原子的实验 若电子在KG区域内与原子碰撞 将能量传递给了原子 则其剩余动能就很小 因而使之无法到达接收极 逐渐增大 间的电压V 同时观测电流计的电流I 关于汞的实验结果如图所示 当V由零逐渐增大时 I出现一系列的峰和谷 且峰 谷 的间距大致相等 均为4 9V 结果表明 汞原子对外来能量的吸收具有明显的选择性 仅当外来能量达到4 9 时 它才吸收 结果表明 汞原子对外来能量的吸收具有明显的选择性 仅当外来能量达到关于汞的实验结果 当V由零逐渐增大时 I出现一系列的峰和谷 且峰 谷 的间距大致相等 均为4 9V 上述结果表明 汞原子对外来能量的吸收具有明显的选择性 仅当外来能量达到4 9 时 它才吸收 ImprovedFranck Hertzexperiment改进的Franck Hertz实验 1920年Franck将实验装置作了以下改进 1 在阴极K前加一极板 从而使阴极由直热式改为旁热式 电子发射就更为均匀 2 在K附近增加一栅极G KG 的间距小于电子在汞蒸汽中的平均自由程 并降低管内气压以建立一个无碰撞的加速区 KG 3 G 与靠近A极的G 等电位 从而建立一个等势区 G G 作为碰撞区 改进后的装置 使加速区和碰撞区分开 从而可使电子在加速区中获得相当高的能量 这就克服了原装置里的缺陷 Apparatus WS FHZ W 智能型 微机型 夫兰克 赫兹实验仪 技术指标 1 夫兰克 赫兹管 充氩管免加热 4级 谱峰 或谷 数量 7 寿命 3000hrs 2 工作电源及扫描电源 三位半数显 误差 1 灯丝电压 DC0 6 3V 最小调节步进0 1V 第一栅压 DC0 5V 最小调节步进0 1V 第二栅压 DC0 100V 自动扫描调节步进0 2V 手动加压最小调节步进0 5V 拒斥电压 DC0 12V 最小调节步进0 1V 3 微电流测量仪 三位半数显 测量范围 10 6 10 9A 1 实验装置 氩管夫兰克 赫兹管 特点 采用充氩夫兰克 赫兹管 比以前使用充汞管方式有了重大改进 去掉了较为落后的灯管加热炉装置 即便于操作 又避免了由于温度控制不精确而对实验造成的误差 以及汞蒸气对人体及环境的污染 实验装置 不许拔下仪器前面板上的导线 进行违规连接 以免发生短路 损坏仪器 在设定各电压值时 必须在给定的量程或范围之内设值 如果超出范围 可能会导致烧坏仪器或不能准确显示 注意事项 数据记录与处理 数据记录UF UG1 UG2P Dataanalysis数据处理 根据手调 栅压调节 做出的IA VG2K曲线和计算机显示所显示的曲线 求出各峰所对应的电压值 用逐差法求出氩原子第一激发电位 并与公认值VC0 11 5V伏比较 求出测量误差 数据处理示意图 Dataanalysis Makeapreliminaryprintofyourdataandinsertitintoyournotebook Don tforgettorecordalltheconditionsalongsidethegraph oventemperature VG1 andthefilamentvoltageVF Basedonthisgraph roughlyestimatethefirstexcitationpotentialofthemercury E1 bymeasuringthedistance inVolts betweenthelocalmaximaprecedingthefirstandsecondlocalminimaintheanodecurrent Also estimatethestandarddeviationinmeasuringDE1fromyourmeasurements Fromthesamegraph determinethecontactpotentialVcontactbetweenthecathodeandG2bysubtractingthevalueofthefirstexcitationpotentialDE1fromthevalueofVG2atthefirstlocalmaximumthatyoumeasured 7 在F H管的I U曲线上第一个峰的位置 是否对应于氩原子的第一激发电位 1 能否用氢气代替氩气 为什么 2 为什么I U曲线不是从原点开始 3 为什么I不会降到零 4 为什么I的下降不是陡然的 5 在F H实验中 得到的I U曲线为什么呈周期性变化 6 在F H管内为什么要在板极和栅极之间加反向拒斥电压 思考与讨论 Rememberthat theatomsareNOTbeingionizedbytheircollisionswithelectrons theyaresimplybeingbumpedupwardsintoanexcitedstate Haphazardmannerofrealresearch Theauthorsweren ttryingtotestBohr smodel infact theyweren tevenawareofBohr stheory AmericanJournalofPhysics vol 29 p 805 1961 Theyinterpretedtheirexperimentalresultsincorrectlyinthepaper 1914 theybelievedthatthecollisionsb