参考franck hertz实验课程版

1、2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang1弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验庞文宁 报告箱号：J11 比利时布鲁塞尔原子塔一、弗兰克-赫兹实验的实验方法二、实验中的重点概念及物理图像三、实验目的、任务四、实验仪器、步骤、注意事项五、实验报告及数据处理要求2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang2一、弗兰克-赫兹实验的实验方法2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang3 玻尔提出原子结构的量子理论后， 1914年，弗兰克(JFranck)和赫兹(GHertz) 用慢电子轰击稀薄气体原子(Hg)，做原子电离电位测定时，发现了原子的激发能态和量子化的

2、吸收现象，并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们获得了1925年的诺贝尔物理奖。1925 弗兰克-赫兹实验是完全不同于光谱实验，是从另一个角度来证明原子存在分立能级,并能测量出原子一些能级。 2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang4玻尔原子模型1913年二、实验中的重点概念及物理图像2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang51、以实验为基础的原子 的核式结构模型；2、光谱的实验资料和经 验规律；3、从黑体辐射的事实发 展出来的量子论。 定态假设 频率规则玻尔理论基于的三个物理学基础玻尔 研究原子结构，提出原子

3、理论两个基本假设：2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang6波尔1885年生于哥本哈根，1941年在哥本哈根大学毕业，获博士学位。1961年任哥本哈根大学理论物理学教授，1962年起担任哥本哈根大学理论物理研究所所长。曾任丹麦皇家科学院院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。科学活动：发展原子、分子和原子的量子理论方面。他把经典力学和量子理论结合起来，从而引起原子理论的革命，对量子力学建立起了重要作用，1922年获诺贝尔物理学奖。主要著作:1922年出版光谱与原子结构理论、1934年出版原子理论与自然界描述 、1955

4、年出版知识统一性等。19222022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang7关于轨道能量量子化的概念原子处于特定条件所限定的几个能态定态(stationary states)所有允许能态的统称。电子只在确定半径和能量的定态轨道上运动, 不辐射能量。基态(ground state) 主量子数n = 1 的定态，也称为基态。基态是能量最低即最稳定的状态。激发态(excited states) 除基态以外的其余定态。 各激发态的能量随 n 值增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang888原子的基态与激发态之间的关系基态原子

5、激发态原子吸收能量释放能量2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang9氩原子(Z=18)的基态电子组态标示为Ar I 1s22s22p63s23p6 1S0Ionization energy127109.842 cm-1 (15.759610 eV)电子层原子核氩原子第一激发态电势是多少？光谱数据：11.55eV 理论计算：13.08eV2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang10 NIST Physics LaboratoryBasic Atomic Spectroscopic Data 2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang11两条共振态J=1,相

6、对谱线强度1000，能级11.83 eVJ=1,相对谱线强度 500，能级11.63 eV氩原子(4s)Ar I 1s22s22p63s23p6 1S0两条亚稳态J=0,相对谱线强度 600，能级11.72 eVJ=2,相对谱线强度 300，能级11.55 eV2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang12Ar I 1s22s22p63s23p6 1S0基态J=1,强度1000，11.83 eVJ=1,强度 500，11.63 eVJ=2,强度 300，11.55 eVJ=0,强度 600，11.72 eV激发态亚稳态亚稳态激发态3p54s可能的激发和退激发途径2022/8/13D

7、r. Prof. W.N.Pang13Energy Levels of Neutral Argon(ArI)11.55eV11.63eV11.72eV11.83eV11.68eV13.21eV12.91eV13.27eV13.08eV13.10eV13.15eV13.17eV13.28eV13.30eV13.33eV13.48eV系数1240Ug = 12.45eV简单叠加简单叠加2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang14当电子的加速电压UA原子第一激发电势Ug 电子与原子碰撞过程中无能量的交换。碰撞前后速度不变，表现为“弹性碰撞”物理图像2022/8/13Dr. Prof.

8、W.N.Pang15当电子的加速电压UA 原子第一激发电势Ug电子与原子碰撞发生能量交换。电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子表现为：“非弹性碰撞”物理图像2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang16实验中采用一定入射能量的电子与Ar原子碰撞 2022/8/1316UAURKXG1UGG2RKG1G2RAUGUAURUFUFIA F:电子发射丝 K:阴极G1:控制栅极G2:加速栅极 R:收集极控制栅极G1与加速栅极G2之间的加速电压UA使电子加速。在收集极R和加速栅极G2之间设置减速电压UR。注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏，消除阴极电子散射的影响。电子由阴极K发出

9、，阴极K和控制栅极G1之间的加速电压UG2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang17弗兰克赫兹实验设计的巧妙之处 在收集极A与减速栅极G2之间加了一个小而稳定的拒斥(减速)电压UR，可筛去能量小于 的电子，从而能检测出入射电子在非弹性碰撞过程中能量损失的情况。调节UF ，固定UG =1eV、 UR =10eV2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang18三、实验目的、任务1.通过对氩原子第一激发态电位的测量实验，了解弗兰克赫兹研究原子能级(量子化)的基本思想和方法；2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像，以及影响这个过程的主要物理因素，学习用实验研究的方法来检

10、验物理假说和验证理论的方法；任务： Ua 控制在0-90V范围内，测定氩原子的第一激发电位。 Ip-收集电流，至少观测到6个峰。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang19KG2AUgUgUgUgUgUg:原子的第一激发电势(电位)本实验的任务:就是要测出下面这条IAUA曲线，并由此确定出氩原子的第一激发电位。UAIA2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang20四、实验仪器、步骤、注意事项F-H管UF ,UG , UR 稳压电源UA扫描电源电子氩原子KG2G1AIUAUGUR微电流仪灯丝电压UF采用双栅极结构的柱面型四极管管内充有氩气F-H管2022/8/13Dr.

11、 Prof. W.N.Pang22实验步骤 熟悉实验装置结构和使用方法,按照实验要求连接实验线路，检查无误后开电源。注意微安表，切勿打表扫描电源Ua有两种工作模式2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang23UF:1-3VUR:6-9VUG:2-4V开关拨至手动调节档手动模式设定稳压电源的各电压值。先探索最佳实验条件，观测收集电流IP 随扫描电压 UA 变化规律并记录分析。使UA在0-90V内增加，IP在表头指示050A(微电流放大器10-8A)之间变化，且有明显的峰谷，峰个数不少于6个。注意灯丝电压UF对IP的变化影响极大，但时间上反应滞后，须仔细调整并确使UF3V。2022/8

12、/13Dr. Prof. W.N.Pang24计算机自动调节UA 模式, 实验过程中每改变 Ua 的电压值，F-H管的收集极电流值随之改变。开关拨至慢扫档UA上限电压设置接近90V，IP在表头指示接近50A。注意：关联调节灯丝电压UF、控制栅电压UG和拒斥电压UR。手动调节回零2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang25实验注意事项1、F-H管的电压值须按照给定值进行设置;UA设定终止值不要超过90V;手动测试完毕后，尽快将UA减为零。2、长时间处于电离状态，会造成F-H管损坏或性能变差，使用中应注意。测量中，逐步增加加速电压时，电流表指针应出现最大，最小摆动的电流信号。若发出电

13、流表指针突然超出量程(打表现象)，说明管子中有电离，应立即减小加速电压，并将灯丝电压减小。3、经过一段实验时间后，F-H管的工作条件可能与原先提供的参考数值有偏离，应重新调整灯丝电压。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang262022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang26谢 谢切勿产生浮躁情绪上课时间：下午1:30-4:50 晚上6:30-9:50五、实验报告及数据处理要求2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang27五、实验报告及数据处理要求实验报告要求1)拒收电子版；2）数据处理过程严谨。实验报告内容1.实验名称；2.实验目的；3.原理简述(原理图、

14、电路图或光路图，以及主要计算公式等)4.主要实验仪器设备；5.实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论；6.实验现象分析、误差评估、小结和讨论。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang28实验报告(写科学论文的前奏) 实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。 实验原理要简明扼要，要有必要的电或光路图，要有主要的数据处理过程，一定要列出实验结果。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang29数据处理要求使用两种方法:

15、 1)逐差法； 2)最小二乘法单位：伏(V)；保留两位小数2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang301)逐差法2)最小二乘法2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang31UA接触电位差和空间电流对IA - UA 曲线存在影响实验中，随加速栅极电压 UA逐渐增加，并观察微电流计的电流指示。如果原子能级确实存在，而且基态与第一激发态之间有确定的能量差，就能观察到如图所示的IA - UA 关系曲线。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang32UAO-A-B段： 随之加速场电压UA的开始升高，IA随之逐渐升高，表征绝大部分电子与氩原子作弹性碰撞(无能量交换)，

16、并克服拒斥(减速)电压UR到达收集极A。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang33UAB-C段： 当电压UA等于或稍大于氩原子第一激发电位时，发生非弹性碰撞，即氩原子吸收能量从基态跃迁到第一激发态，而入射电子将失去全部或绝大部分能量，从而不能穿过拒斥场到达收集极，因此收集极的电流IA急剧下降。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang34UAC-D段： 继续增加UA ,电子在与氩原子碰撞后,还能被加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而到达收集极A，这时收集极的电流IA又开始上升。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang35UAD-E段： 继续增加UA 二倍于氩原子的第一激发电位(2Ug)时，又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到收集极A，因此收集极的电流IA再度急剧下降。2022/8/13Dr. Prof. W.N.Pang36UA同理，随UA增加，电子会与氩原子发生第三次、第四次非弹性碰撞，因而收集极电流IA就