实验7-10 量子论实验——原子能量量子化的观察与测量

1、“大平台”普通物理实验教案 物理教学实验中心实验 量子论实验原子能量量子化的观察与测量1、实验沿革：这个实验是从近代物理实验“夫兰克赫兹实验”移植过来的，2000年将该实验简化后，以“量子论实验”为名，加到外系普通物理实验中，仍采用本校生产的汞管或氩管的fh实验仪。2002年，为适应“大平台”教学的需要，改用德国莱宝公司生产的氖管fh实验仪。该管可直观地观察氖原子退激发光现象，而且只需测量23个电流峰值，从而满足了既减少学时又增强物理内涵和提高兴趣的要求；把氩管作为选做的内容，仍放在教材中。将实验名称改为“原子能量量子化的观察与测量”，以突出“观察”物理现象是本实验的重要内容之一。2003年在

2、编入正式出版的基础物理实验时，更改为现名。2、实验目的：（1） 加深对原子能量量子化的认识。（2） 观察原子被激发并退激发光。（3） 测量氖原子的第一激发电位。（4） 学习用作图法处理数据。3、实验原理补充：（1） 正向小电压ug可以控制阴极发射出的电子进入碰撞区的多少，从而可以控制电流的大小，但并不是越大越好，它有一个最佳值，使实验曲线峰谷明显。（2） 反向电压up增加，会使电流减少明显，但也有一个最佳值。要通过实验观察来调整其大小。（3） 以上两最佳值与实验条件有关（如温度等），与fh管累计使用时间也有关，因此要在实验中个别调节。（4） 任何一个峰值的出现都是由于大量电子在加速栅极附近与原

3、子发生了非弹性碰撞。4、实验前的准备：检查告示牌及所用导线是否齐全，了解实验仪器是否正常。5、预习要求及质疑：（1）通读一遍讲义，对实验原理有所了解，对要做的实验有所准备。为更好地预习，可以上网看实验介绍，了解实验前应该注意的问题等。（2）写预习报告，包括实验名称、原理简述、电路图、实验步骤及数据表等。（3）质疑： 电子如何与原子交换能量？当电子能量等于或大于原子的能级差时，才可能以能级差的能量交换；交换后，电子被电场再次加速。 氖管为什么会发光？当氖原子从高激发态跃迁到低激发态时，可辐射出红光。 为什么要加正向小电压？控制电流大小，能更好的做出实验现象。 可否不加反向电压？不可。否则不能区别

4、出电子能量的大小，不会出现电流周期性变化。 电流的峰值是怎样出现的？随着加速电压的增加，穿过加速栅极而到达板极的电子增加，电流增大；当电子在加速栅极附近把能量转移给原子时，它就不能克服反向电压而到达板极，到达板极的电子数目减少，电流开始减小，出现峰值。 电流的周期性变化说明了什么？电流的周期性变化是特定能量被反复吸收的结果。原子在与电子碰撞的过程中只吸收特定能量而不吸收任意能量，说明了原子的能量是量子化的。6、实验内容及解答：（1） 仔细观察和记录氖管发光现象，并讨论之。选择合适的ug(12v)和up（710v），若发现光很亮，发光区弯曲，则应立即降低加速电压，避免管子被击穿而损坏。（如何记录

5、实验现象？）（2） 测量电流电压曲线，用坐标纸画图。（如何记录数据？）7、实验中常见的问题及解决办法：（1） 电流的初始值不为零，且不断跳动：妥善连接地线，使ip 的变化d ip 1na。（2） 电流饱和，很快达到12 na以上：减小ug 。（3） 实验找不到出现三个峰对应的ug 和up：改为测两个峰。（4） 数据记录到一半，才发现电流太大：重新改实验条件，观察好现象，再记录。（5） 由于数据记录太慢，以致实验条件（温度）改变，初看有三个峰的实验条件下，只测到两个峰：这种现象无法补救，只能预先提示学生，不要太慢；测量数据时不要用布遮住管子，以便散热。8、典型数据：实验条件：ug =0.80v；

6、up=9.71v数据表格：ug/vip/naug/vip/naug/vip/naug/vip/na25.0 0.0636.0 3.8644.0 0.2956.0 11.7725.7 0.0436.2 3.9244.2 0.2356.4 11.726.5 0.0336.4 3.9544.4 0.2156.6 11.6927.3 0.0436.4 3.9844.6 0.2356.8 11.6227.5 0.0536.8 3.9544.8 0.2958.2 11.3327.8 0.0837.0 3.9145.0 0.3960.0 10.2127.9 0.137.4 3.8145.3 0.560.5

7、9.8129.0 0.5137.8 3.7145.8 0.8660.9 9.5630.0 1.0138.5 3.4547.0 1.8161.3 9.332.0 1.9939.0 3.2248.0 2.8361.6 9.1934.0 2.9740.0 2.6850.0 5.2962.2 9.1634.6 3.2642.0 1.4652.0 8.0362.4 9.1635.1 3.4943.0 0.8554.0 10.7662.6 9.1935.4 3.6143.5 0.5455.5 11.663.0 9.335.8 3.7843.8 0.3755.8 11.6965.0 11.68由图可知：曲线

8、峰、谷处的电位分别为：36.4v、44.4v、56.0v、62.2v。求得第一激发电位u1 = (56.0 36.4)+(62.244.4) /2= 18.7 v本实验测得氖的第一激发电位为u1 = 18.7 v9、选做内容简述：做氩管的实验。按电路图连好线路，选定灯丝电压、正向小电压和反向电压，手动扫描测量。首先观察微安计指针的变化，若没有电流，则增加灯丝电压，直到有电流为止。然后观察电流值，约有6个峰，峰谷变化明显，电流最大值不超过40 ma 。10、思考题解答：1. 如何从本实验结果看出原子的能量是量子化的?答：电流值极大极小周期性的变化，说明电子的动能是在一定能量下转移给原子的，说明原

9、子只能吸收特定能量而不是吸收任意能量，即原子的能量是量子化的。2. 为什么红色发光区向阴极移动时会越来越窄、越来越亮？答：红色发光区向阴极移动时会越来越窄、越来越亮，是因为红色发光区向阴极移动，表明加速电压在增加，因而电子能量恰好等于或稍大于氖原子激发能的范围向阴极移动。加速电压的增加，必然导致两栅极间电场强度加大，这就使从阴极进入两栅极间的电子数增加，且电子能量恰好等于或稍大于氖原子激发能的范围变窄，因而红色发光区越来越窄、越来越亮。3. 试分别讨论图3中曲线的波峰和波谷的板流会随加速电压增加而变大的原因。有时波谷会出现负值，这是为什么？答：波峰变高是因为到达板极的电子变多了。在电压较高时，

10、两栅极间电场强度较大，这就使从阴极进入两栅极间的电子数增加，因而峰值变大。波谷变高的原因有两个：除了上述电子数增加以外，电子与原子非弹性碰撞的几率也减少了，这是因为两栅极间电场强度越大，电子经过非弹性碰撞的次数越多，电子速度的差别就越大：速度特别慢的电子能量未达到激发能，不能产生非弹性碰撞；速度特别快的电子则易于未经碰撞就穿过栅极达到板极。此外，另有两个原因使波谷高度随加速栅电压增大而变得更低：一、氖原子从第一激发态退激所发的光是紫外光，它照射到板极会产生光电效应，使板极发射光电子而形成负电流，加速栅电压越高这种光电子越多，负电流越大；二、在加速栅和板极间若有少量氖原子被电离，则正离子会向板极

11、移动而形成负电流，加速栅电压越高这种电离的几率越大，负电流越大。波谷电流是这四种原因共同作用的综合结果。因此，波谷的高度与加速栅电压的关系会呈现十分复杂的情况，可能出现非单调变化，甚至可能出现ip为负值的情况。4. 第一峰位置的电位与第一激发电位是否相同？为什么？答：不同。因为有接触电位差、有控制栅极的影响、还有电子的初动能等。5. 实验中看到的发光区的颜色所对应的波长大约是多少？它是氖原子从第一激发态返回基态时所发的光吗？为说明你的观点，请算出氖原子从第一激发态返回基态时所发光的波长。答：发光区的颜色为红光，波长约为620640nm。它不是氖原子第一激发态退激所发的光。由hn = ev，即h

12、c/l = ev，得 l = hc/ev = 6.626 10-34 2.998 108/(1.602 10-19 18.7) = 66.2(nm)。显然，此波长是紫外光，不在可见光范围内。6. 为什么电流较大时，发光区中心会向阴极凸出？为什么应尽量避免这种情况发生？答：电流和电压较大时，会有较多气体产生电离，在加速栅附近形成等离子体，而由于阴极较小，使等离子体集中在加速栅附近的中心区，这样就形成了弯曲的等势面。发光区一般与等势面相对应，所以会发生实验所见现象。由此可见，发光区中心向阴极凸出是由于等离子体造成的，表明这时气体已有较多电离，这容易使气体击穿而损坏管子，应尽量避免。11、评分标准：

13、1）预习报告：2分实验目的：0.4分、实验原理：0.4分、实验内容或步骤0.4分、电路图0.4分、数据表格0.4分以上要素缺少1个扣0.4分，不合要求的酌减，上课迟到10分钟以内扣0.2分，超过10分钟扣0.5分。若预习报告原封不动照抄课本则预习分数减半。2）实验操作：4分独立操作无明显失误：1分实验仪器的记录：0.5分实验现象的记录：1分（包括对实验条件的记录和现象的详细描述）实验数据：1分（包括对实验条件的记录）其它：0.5分（比如记录实验中的问题和想法、能正确回答老师提问、能独立地解决实验中出现的问题等）3）实验报告：4分对实验现象的解释：1分、作图：0.5分（依照作图原则，有错误酌情扣分）、氖原子第一激发电位的计算：0.5分（包括单位及有效数字）、实验结果与讨论：1分（可以针对思考题中所提的问题讨论，比如若有5道思考题，可以每题0.2分）有自己独到的见解：1分4）其它：、若学生做了选做内容，可加0.5分左右，不超过1分，相当于占用“有自己独到的见解