34-夫兰克-赫兹实验.doc

实验三十四 夫兰克赫兹实验世纪初，对原子光谱学的研究，证明了原子能级的存在，原子光谱中的每根谱线，就是原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射。然而，原子能级的存在除了可由光谱研究证实外，还有另一种方法：年，德国物理学家夫兰克和赫兹，利用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级，并通过研究电子与原子碰撞前后电子能量的改变情况，测定了氩原子的第一激发电位，从而直接证明了原子能级的存在。同时也证明了原子发生跃迁时吸收和发射能量是完全确定的、不连续的。这就是著名的夫兰克赫兹实验。它成了玻尔原子理论的一个有力的实验证明，这两位物理学家也因此而获得了年的诺贝尔物理奖。一、实验目的、 通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。、 通过实验加深对能级概念的理解。二、实验仪器与装置介绍FH-2A型夫兰克赫兹实验仪、 夫兰克赫兹管 图本实验中所用的充氩四极2A型夫兰克赫兹管，其结构如图所示， 图2、 仪器面板功能介绍（如图2）（） 电流IA量程切换开关（） 电流表，指示IA电流值。IAIA量程切换开关（1）指示值电流表读数/100。（） 电压表，与电压指示切换开关（9）配合使用，分为VH、VG1K、VG2A、VG2K各种电压，指示VH、VG1K、VG2A时满量程为19.99V，指示VG2K时满量程为199.9V。（） 电源开关（） VG2K输出端口，接至示波器或其它记录设备X轴输入端口，此端口输出电平为VG2K的1/10。（） 自动/手动切换开关。接入为“自动”位置，与快速/慢速切换开关（7）及VG2K调节旋钮（13）配合使用，可选择电压扫描速度及范围；接入“手动”位置，与（13）配合使用，手动选择电压扫描范围。（） 快速/慢速切换开关，用于选择扫描速度。只有（6）选择“自动”位置时此开关才起作用。（） IA输出端口，接至示波器或其它记录设备Y轴输入端口。（） 电压指示切换开关，与电流表（3）配合使用，可分别指示VH、VG1K、VG2A、VG2K各种电压。（） 灯丝电压VH调节旋钮，调节范围36.3V，不可过高或过低，调节过程要缓慢，边调节边观察示波器图形变化，不可出现波形上端切顶现象，否则应降低灯丝电压VH。（） VG1K、调节旋钮，调节范围1.35V，开始调至1.7V左右，待示波器出现6个峰值时，分别进行VG1K、VG2A调节，使从左至右，曲线的IA谷值逐个抬高。（） VG2A调节旋钮，调节范围1.315V，开始调至8V左右。（） VG2K调节旋钮，自动/手动切换开关（6）置于“手动”时调节范围0100V，置于“自动”时调节范围080V。三、实验原理年，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福的原子核型结构的基础上，把量子概念应用到原子系统，提出了著名的玻尔原子理论，他指出：、 原子系统存在一系列的稳定状态（简称定态），在这些定态，电子虽然作加速运动，但不辐射能量，原子定态的能量只能取某些分立的不连续的值，而不能取其它值。、 当原子从某一能量为的定态跃迁到另一能量为的定态时，原子将放出（或吸收）一定频率的电磁辐射，辐射频率取决于两定态能量之差其中h为普朗克常数，焦尔秒通常原子状态的改变可通过两种方法实现，一是让原子本身吸收或放出一定能量的电磁辐射，二是让原子与其他具有一定能量的粒子发生碰撞而交换能量，夫兰克赫兹实验就是通过让具有一定能量的电子与氩原子相碰撞，从而使氩原子获得一定能量而发生能级状态的改变，并通过直接测量出碰撞时电子传递给氩原子的能量值，从而证实原子能级的存在。实验中电子和氩原子的碰撞是在夫兰克赫兹管内进行的，管中有发射电子的阴极，它由管中的灯丝通电加热而造成热电子发射，在阴极与栅极1上加有加速电压，使电子加速，在阳极板和栅极2之间加有反向拒斥电压，此时，忽略空间电荷分布后，管内空间的电位分布如图3所示。 图3 由阴极发出的电子经加速电压加速后，进入2空间，由于此空间反向拒斥电压的存在，如果电子能量大于，就能冲过拒斥电场而到达阳极板，形成电流，电流的大小反映了到达阳极的电子数的多少。如果电子在2空间与氩原子发生碰撞，并把自己的一部分能量传递给了氩原子而使后者激发，电子本身所剩余的能量就很小，以至通过栅极后已不足以克服反向拒斥电场而到达不了阳极，此时电流将显著减小。实验时可通过调节灯丝电压VH来改变管内的氩原子密度，电压越高，管中氩原子密度越大，电子与原子的碰撞机会就越多。设初速度为零的电子在电位差为的加速电场作用下，获得能量为eU，当具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞时，就可能会发生能量的交换，从而使氩原子获得一定能量而激发，由玻尔理论可知，如以分别表示氩原子的基态能级和第一激发态能量，那么当氩原子获得从电子传递而来的能量恰好为时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态，相应的电位差称为氩原子的第一激发电位。实验表明，。实验中，由小到大逐渐调节加速电压，当小于氩原子的第一激发电位时，此时电子所获得的能量较小，不足以激发氩原子，电子与氩原子在2空间内的碰撞是完全弹性的，由于电子质量远小于氩原子，电子在碰撞后将保持原有动能不变逐步到达栅极，到达栅极的电子将穿过2空间，到达阳极板，形成电流。随着从零逐渐增大，导致阴极发射电子流的增加以及电子速度的增大，因而极板电流也逐渐增大。（如图4中段所示）当等于或稍大于氩原子的第一激发电位时，电子在大部分路程中与氩原子作弹性碰撞，并被电场加速，只有在接近栅极时，才积聚到足够的能量，从而与氩原子发生非弹性碰撞，此时氩原子从电子上吸收大小为的能量后从基态跃迁到第一激发态，而电子将失去全部或绝大部分能量，从而不能穿过反向拒斥电场，不能到达板，因此阳极电流IA急剧下降。（如图4中段所示）随着栅极电压的进一步增加， 图344电子的能量也不断增加，它与氩原子碰撞后，还留下足够的能量可以克服反向拒斥电场而到达阳极板，这时电流IA又开始上升，（如图4中段所示），直到2间电压二倍于氩原子第一激发电位即时，电子在栅极2附近又会因为第二次与氩原子发生非弹性碰撞而失去能量，并且受到拒斥电场的阻挡而不能到达阳极，电流IA再次下降。（如图4中段所示）同样的道理，随着加速电压的增加，当（n=1 , 2 , 3 ,）时，电子将会在2间的运动过程中与氩原子发生第三次、第四次非弹性碰撞，使电流IA相应下跌，形成具有规则的IA曲线。如图4所示。可知，曲线两相邻峰值之间电位差等于氩原子的第一激发电位。本实验的任务就是要测出这条曲线，并由此确定出氩原子的第一激发电位。曲线中，极板电流IA的下降并不是完全突然的，其峰值总有一定的宽度，这是由于从阴极发出的电子初始能量并不完全一样，服从一定的统计规律，另外，由于电子与氩原子的碰撞有一定的几率，当大部分的电子恰好在栅极2前使氩原子激发而损失能量时，显然会有一些电子逃避了碰撞而直接到达阳极板，因此，极板电流IA并不下降到零。实验中，灯丝电压对曲线的影响较大，灯丝电压过大，阴极发射的电子数过多，易使电流IA达到饱和，引起IA曲线阻塞；灯丝电压过小，参加碰撞的电子数就少，反映不出非弹性碰撞的能量交换，造成曲线峰谷很弱，甚至得不到峰谷。灯丝电压VH在仪器上有标记。发射电子在UG1K作用下，消除了空间电荷对阴极（K）散射电子的影响，UG1K的值在仪器上有标记。另外，拒斥电压对IA曲线也有较大的影响，偏小时，起不到对非弹性碰撞后失去能量的电子的筛除作用，使峰谷差小，太大时，筛除作用太明显，使很多本来可以到达极板的电子筛去，导致峰谷差小。的值在仪器上有标记。四、实验内容、 将仪器面板上的（10）（13）四个电压调节旋钮逆时针旋到底，IA量程切换开关 （1）置于“107”，VG2K输出端口（5）和IA输出端口（8）分别用带Q9连接头电缆连接至示波器或其它设备X轴输入端口和Y轴输入端口。、 如果（5）和（8）连接的是示波器，自动/手动切换开关（6）置于“自动”，快速/ 慢速切换开关（7）置于“快速”，否则（7）置于“慢速”。、 打开电压开关（4），接通仪器电源，与电压指示切换开关（9）配合使用分别调节 （1）（12），使VH约为5V，VG1K约为1.7V，VG2A约为8V。、 逐渐调节（13）可观察到图344所示的IA曲线，调节示波器X、Y各相 关旋钮，使波形清晰，Y轴幅度适中，X轴满屏显示，然后再调仪器面板上的（10）（13）各调节旋钮，使可观察到6个IA峰值（或谷值），峰谷幅度适中，无上端切顶现象，从左到右，IA各谷值逐个抬高。、 相邻IA谷值（或峰值）所对应之差（即显示屏上相邻谷值或峰值的水平距离） 就是氩原子的第一激发电位。、 为提高精确度，比如可测量第一个峰值与第五个峰值所对应的之差，取相邻 峰值所对应的之差的平均数。、 如果采用手动进行实验，可以通过测量相关IA和的值，在峰值附近应多测几 组数据，然后在坐标值上作出IA曲线，并由曲线上得出各峰值所对应的电压。、 用逐差法处理数据，求出氩原子的第一激发电位，并与公认值相比较，计算相 对误差并分析误差原因。五、预习思考题、 拒斥电压UG2A在实验中的作用是什么？、 极板电流IA的峰谷是如何形成的？六、测试记录与数据处理、 测IA数据，共24组，包括起点、谷值、峰值（三个点）。、 逐差法求氩原子第一激发电位峰值电压（V）平均七、注意事项、 在测量激发电位时，调节和VH时应注意和VH过大会导致氩原子电离 而形成正离子到达阳极电流IA突然剧增，直至将夫兰克赫兹管烧