实验4 弗兰克-赫兹实验

1、实验25夫兰克赫兹实验一、实验目的了解F-H实验原理和方法，提高综合分析能力；测定氩原子的第一激发电位，验证玻尔理论。二、实验仪器F（夫兰克）一H（赫兹）实验仪。三、实验原理玻尔的原子理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即稳态）。原子的每一状态具有一定的能量，称能级。各能级的能量值彼此分立，原子能量不论通过什么方式发生改变时，只能使原子从一个状态跃迁到另一个状态（一个能级跃迁到另一个能级）。原子从一个状态跃迁到另一个状态时发射或吸收的能量是一定的。若用E和E表示两个状态的能12量，则发射和吸收的辐射光子频率由下式决定：hv=E一E21式中，h为普朗克常数，1986年推荐值为h=（6.

2、62607550.0000040）X10-3Js。能量最低的状态称基态，能量较高的状态称激发态，能量最低的激发态称第一激发态。原子只能吸收或释放两状态间的能量差，若要原子状态发生改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要的能量。为使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定频率的光子来实现，也可以通过具有一定能量的电子与原子碰撞进行能量交换的办法来实现。本实验采用后者。实验装置如图1所示，它的核心是夫兰克赫兹管（简称F-H管）。在密封的玻璃管内充有汞或其他惰性气体（如氩、氖等）。灯丝f通电后炽热，使旁热式阴极受热而发射电子。第一栅极G的作用主1要是消除空间电荷对阴极电子发射的

3、影响。在阴极K和第二栅极G之间施加一加速电2压U，电子在U的加速下，22以动能eU穿过第二栅极2G而飞向板极A。在G与22A间加有一减速电压U，形3成一个减速电场。只有能量大于eU的电子才能到达板极A而形成板极电流I板流I用微2AA电流测试仪A测量。在保持U和U不变的情况下，改变加速电压U的大小，测出相应的132板极电流I，将得到如图2所示的特性曲线。A当加速电压U从零开始增大时，板极电流I随之增大，表示电子动能增加，到达板极2A的电子数目必随之增多。这说明电子在飞行途中尽管回与管内的汞原子碰撞，但不损失能量，是弹性碰撞。当U增大到汞原子的第一激发电位U时，I转为下降，表示到达板极的电子数目减

4、20A少。说明有些电子与汞原子发生了非弹性碰撞把能量传递给汞原子，再也不能穿越减速电场而到达板极。加速电压U继续增大，板极电流I又逐渐回升，这说明电子与汞原子碰撞后2A的剩余能量尚能使电子穿越减速电场而到达板极。当U增大到2U时，I又转为下降，22A说明电子与汞原子发生了第二次非弹性碰撞。同样的道理，随着加速电压U的继续增大，2电子会在第二栅极G附近与汞原子发生第三次、第四次、非弹性碰撞，从而引起板流I2A的相应下跌。可见，凡满足加速电压U=nU(n=1,2,3,)20时，板极电流I都会相应下跌，形成规则起伏的I-U特性曲线如图2所示，而与相邻两AA2板极电流极大值(或极小值)所对应的加速电压

5、的差值就是汞原子的第一激发电位U，它0的公认值为4.9V。从I-U特性曲线可见，板极电流I并A2A不是突然下降的，有一个变化过程，这是因为阴极发射出来的电子，它们的初始能量不是完全相同的，服从一定的统计规律。另外，由于电子与汞原子的碰撞有一定的几率，在大部分电子与汞原子碰撞而损失能量的时候，还会存在一些电子没有碰撞而到达了板极，所以板极电流I不会降到零。A原子处于激发态是不稳定的。在上述实验中，被电子碰撞的汞原子从基态跃迁到第一激发态，吸收了EU电子伏特的能量；当它再跳0到基态时，就应该有EU电子伏特的能量发射0出来。如果上述分析成立，就应该能看到汞原子从第一激发态时所发出的辐射。进行这种跃迁

6、时，汞原子是以放出光量子的形式向外辐射能量的。这种光辐射的波长九由下式决定,CeUc=H=h0九式中普朗克常数取h=6.63X10-34js,光速取C=3.00X108m.s1，电子电荷取e=1.60X10-19，汞原子的第一激发态电位U=4.9V，由下式算得九=2.5X102nm。紫外光谱仪测量0确实观测到了波长为九=253.7nm的紫外谱线。如果FH管内U=13.1V,它从第一激发态跃迁回0基态所辐射的光波波长九=81.15nm。1914年夫兰克和赫兹所用的是一支充汞的三极管，只有阴极、加速栅极和板极。1920年，他们对实验装置进行了改进，使电子在加速区获得高于4.9eV的能量，从而测量出

7、汞原子的一系列较高的激发电位，进一步证实了原子内部能量状态的不连续性。四、实验内容与步骤测定氩原子第一激发电位本实验采用四极FH管，管内充有氩气。氩气FH管在常温下即可工作。灯丝F加热阴极K，K发出大量电子，这些电子经G、K间的电压U加速获得能量，并在G、2G2K2K之间与氩原子发生碰撞，把部分或全部能量交换给氩原子，再经减速电压U、到达板G2K极A,形成板极电流I。A本实验仪原理框图如图3示。各路稳压电源，扫描电源和微电流放大器合为一体。仪器内装有单片计算机、用数字技术完成数据采集处理及控制扫描电压，计算FH曲线上的峰谷点，用液晶显示器(LCD)显示FH曲线和数据。实验步骤：1按图4连接FH

8、管和MCFH20FH实验仪。图3MCFIt20FH实验仪原理框图2.将FH实验仪预热10分钟，调整各电压，调整范围如下表VVVF2.34.4VG11.52.5VA210V仪器自动采样，等待一会，得到FH曲线，如曲线不合要求，重新调整电V、V、FG1V压，直到获得满意的曲线。A进人数据输出栏，显示每间隔1V的I电流值。x轴是扫描电压，y轴是板极电流IAA值，单位nA。把数据填人自拟表格，用坐标纸绘出FH曲线。开机后仪器右侧显示操作菜单，“”和“”为光标移动键，将光标移动到所选栏内,“Enter键进入，仪器执行所选功能。其中：Sample自动采样：仪器一面采集I的值，一面逐渐升高扫描电压，扫描电压

9、每增加0.3V采A集一次I值完成采集后，对数据进行处理，等待数分钟后，将显示FH曲线。AManual手动采样：通过调整“手动调节”旋钮调整扫描电压用万用表DC100V挡测量扫描电压，屏幕上显示相对应的I值。手动时，仪器不能保存测量值。AOutdata以1V为间隔，显示曲线上各点的数据，按“”、“”键翻页，按其余键退出。Min&max显示极小点和极大点，按“”切换显示极大点，按“”键显示极小点，按其余键退出。CleanLCD清除正在显示的曲线。五、注意事项仔细检查接线，使用MCFH20实验仪时，各路电压不得互换。2自动测量前，“手动调节”旋钮应逆时针调到最小位置，否则扫描电压输出端可能带有100V的