夫兰克-赫兹实验

1、实验十七 夫兰克-赫兹实验原子能级的存在，除了可由对光谱的研究得到证实外，1914年,夫兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)第一个用实验证明了原子能级的存在。他们用具有一定能量的电子与汞蒸气发生碰撞，计算碰撞前后电子能量的变化。实验结果明确表明，电子与汞原子碰撞时，电子总是损失4.9 电子伏特的能量，即汞原子只能接受4.9 电子伏特的能量。这个事实无可非议地说明了汞原子具有玻尔所设想的那种:“完全确定，互相分立的能量状态”。所以说夫兰克赫兹实验是能量量子化特性的第一个证明，是玻尔所假设的量子化能级存在的第一个决定性证据,此项卓越的成就,1925年获得诺贝尔物理学奖。实验目的通过测定（

2、汞）原子的第一激发电位V0，证明原子能级存在，了解原子能级的量子化结构。分析温度及灯丝电流等因素对实验曲线的影响。实验仪器夫兰克-赫兹（简称FH）实验仪，FH 加热炉，DMnA2 微电流测量仪，温度控制器，电流线和屏蔽线。实验原理根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型，核外电子只能分立地量子化地长存于各稳定能态En (n1，2，)它只能选择性地吸收外界给予的量子化能量差值(En- Ek)，从而处于被激发的状态；或电子从激发态选择性地释放量子化的能量En-Ek =hnk，回到能量较低的状态，同时放出频率为hnk 的光。其中h为普朗克常数。 但是这能否给以旁证呢？本实验就是用慢电子与(汞)原子碰

3、撞以交换其能量的方法探测出原子的量子化能级。是用常规电气实验方法探测出原子的量子化能级结构的光辉实验，也是电子与原子碰撞中的能量交换到底是连续的还是量子化的判变实验。如图641所示，将充汞的FH 管安装在温度可调的加热炉(虚线框)内。给灯丝加6伏（不能高于6伏）的电压使其发射热电子。热电子在加热栅极G 的电压VKG 的作用下，电子获得E =eVKG 的能量，向阳极A 前进。在前进途中，电子与汞原子发生碰撞，同时在GA 之间加一较小的反向遏止电压VGA，用来鉴别电子在碰撞中的能量损失情况。电子在碰撞中若没有能量损失(弹性碰撞)，则穿过栅极G 的电子可以全部达到阳极A。所以阳极电流IA 将随VGA

4、 的增加而单调上升。若电子在碰撞中损失了能量(非弹性碰撞)，其动能eVGA 的电子就将被遏止电压逼回栅极G 而回到GK 回路。在非弹性碰撞中，若能量的交换是连续的，虽有部分电子被遏止电压逼回，使IA 略有减小，但仍为单调变化。当能量的交换是量子化的，则在该VGA（V1）点就将出现非单调的变化。夫兰克-赫兹的实验的结果是形如图642的波浪式爬坡曲线。本实验之所以用汞原子，是因为它可以用调节温度控制的办法来控制 FH 管内汞原子浓度，从而达到调节电子与之碰撞的几率。若浓度太小，则IA的变化显现不出来；若太大，则绝大多数电子经多次碰撞后，其能量都损失殆尽，所以I（VKG）的量子变化也显现不出来。只有

5、合适的温度TC (浓度和碰撞几率)，电子从K 至A 的行途中有碰上原子的几率，才能得到如图642所示的曲线 。从曲线上可以看出，当VKG 从0开始逐渐增到大于VGA 的值后，IA才逐渐有增，直至VKG增到V1开始下降。这表明有一部分电子经非弹性碰撞的量子化能量损失以后折回了GK 回路而不能到阳极A。随后当VKG 继续增加时， IA随VKG 的增加而下降，当VKG 增到一定的值后，IA又开始上升。所以，当电子在碰撞中有两次能量的量子化交换时，VKG值在该点就有IA的下降，如此等等。即（641）（642）式中V0为一恒定值，它就是(汞)原子的第一电位。人们早就从光谱分析中知道原子并不存在多个差值恒

6、定的量子化能级。所以V0 恒定就表明电子是与原子作多次碰撞后多次损失同一能量的结果。由于K 与栅极G 间存在着接触电位差，所以V1V0-VKG （643）故应按（641）式和（642）式求V0的值。实验内容（）将实验仪器按图641安装好，连接温控器的控制信号线，确定无误后接通电源(注意:此时温控线后部接线端子带有市电，注意安全)。IA的屏蔽引线与地相连。（）将FH 实验仪的各电源旋钮旋至最小值，接通电源，VGA 取2.0伏，灯丝取4.5伏（不能超过6伏）。（）将温度设定为TC =80摄氏度（后简称“度”），温控器绿灯点亮，实验炉开始加热，当炉温升至设定温度时，红灯点亮，这时实验炉处于保温状态。

7、几分钟后再将温度设定为TC =120度，待温度较稳定后开始实验。（）将VKG 调至略大于VGA 后，调节微电流测量仪电流输出IA 至0处。（）将IA 的倍率开关拨至“×10-9”最大档位，当炉温达到设定的TC =120度时，再逐渐增加VKG观察IA的数值变化，若IA的值很小，则可将倍率开关拨至“×10-10”或“×10-11”安倍档位。注意，在使用“×10-12”安倍档位时，需慎用,不小心就会使微电流测量仪过载。（）将VKG从0伏逐渐缓慢增加，每增加VKG1伏，仔细读取IA的对应数值。（）分别设置TC为110度、100度、90度，重复上述步骤三次，将四组

8、数据填入自拟的数据记录表格中，并在方格坐标纸作出IA（VKG）的曲线。在四个曲线中，选择其中较为理想的一个作为实验曲线，并在曲线上标出V0的值。（）实验完毕后，首先将IA断开，再取掉加热炉电源，待炉温降至60度以下，关掉其它一切电源。注意事项当炉温TC低于90度而VKG较高时，会产生管子的电离现象，因而IA骤然剧增，极易损坏FH管和微电流测量仪，此时，除应立即关掉VKH外，还应断开IA断开的连线。本实验连线较多，三路电源绝对不能连错，通电前应按图642仔细检查，无误后方可通电。测量数据时，温度控制器的“设置测量”开关应置于“测量”档位，便于随时观察炉内温度。思考题本实验是用温度控制器来调节加热炉温