夫兰克赫兹实验

夫兰克赫兹实验第1页/共24页[简介]

在原子物理学的发展中，丹麦物理学家玻尔（N.Bohr）因为在1913年发表了原子模型而获得了1922年度诺贝尔物理学奖。1914年，德国科学家夫兰克（J.Franck）和赫兹（G.Hertz）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。他们对电子与原子碰撞时能量交换的研究所发现的规律性，直接证明了原子能级的存在，即原子能量的量子化现象。夫兰克和赫兹的实验证明了玻尔原子理论的正确性，因而，他们获得了1925年度诺贝尔物理学奖。这就是原子物理学上著名的“夫兰克—赫兹”实验。第2页/共24页玻尔的原子模型原子只能存在于某些特定能级En能量变化只能是某些定值Em-En第3页/共24页例：氩原子Ar只考虑基态能量E1

第一激发态E2eU0=E2-E1（e为电子电量）U0被称为氩原子的第一激发电位第4页/共24页电子与原子碰撞电子能量E<eU0

电子和氩原子只发生弹性碰撞，

能量交换很小可忽略不计电子能量E≥eU0

电子和氩原子发生非弹性碰撞，

电子将损失一整份eU0的能量，

氩原子吸收此能量后跃迁到激发态电子-原子交换能量为定值第5页/共24页实验思路电子能量损失为定值电子-原子能量的交换是量子化的原子能量量子化，能级存在第6页/共24页夫兰克—赫兹管的结构及工作原理第7页/共24页阴极K发射电子加速电压VG2K使电子加速，获得能量E=eVG2K。电子与氩原子碰撞损失部分能量，到达第二栅极G2时剩余能量记作E’。拒斥电压VG2A（反向）鉴定电子剩余能量：

E’>eVG2A的电子到达板极A形成电流IA

E’<eVG2A的电子则被VG2A弹回，

IA=0IAE’

电子损失能量定值E=eVG2K第8页/共24页实验方法给定灯丝电压、VG1K、VG2A；缓慢增加VG2K，测出相应的板极电流IA。理论上，IA与VG2K的对应关系应如图所示。第9页/共24页0~a~b电子能量小于eU0，弹性碰撞b点电子能量E=eVG2K=eU0，非弹性碰撞

电子损失能量eU0，剩余能量为E’=0。E’<eVG2A，电子不能到达板极，电流降为0。b~c~d电子碰一次后，E’<eU0，重复0~a~b。d点电子先后碰两次，E’=e·2U0-2eU0=0，

同b点一样，电流降为0。第10页/共24页每次VG2K=nU0时，电流都会降到0。理论上，IA~VG2K曲线呈锯齿状，测出这样的曲线即可证明每次电子-原子碰撞时，电子损失能量都是定值eU0，从而可以证实能级的存在。同时，测出每次电流降为0时对应的加速电压U0、2U0…，即可计算出氩原子的第一激发电位U0。第11页/共24页实际电流图1、曲线平滑过渡。电子初始能量并不完全相同，有的快些，有的慢些。碰撞有先后。2、IA一般不会降到零。碰撞有一定的几率，一些电子没有碰撞形成残余电流IA。第12页/共24页实验步骤一、1、关闭电源，连线并检查，务必详细检查无误后方可开机。2、预热

选手动方式，将电流量程，灯丝电压，VG1K电压，VG2A电压调至仪器箱上盖标牌上规定的标准参数，将VG2K设置为30v，保持手动方式，（不要按“启动”，不要按“自动”）3~5分钟后预热即完成。第13页/共24页二、测量U0测量过程用联机测试方式完成。全部在电脑上操作，由电脑控制仪器，仪器上不需再手动设置。第14页/共24页1、第一次测量：用标准参数测绘IA~UGK曲线。a.实验仪器置自动测试状态；计算机进入实验系统，“用户”、“密码”均为“sa”。b.点击“数据通讯—开始实验”；“工作方式”采用“联机测试”；“仪器号”采用“1/A设备”；进入“下一步”。学号、姓名之类可写可不写。第15页/共24页c．记录仪器箱上盖标牌所规定的标准参数，并输入程序中，标牌上有的都要输入，特别是电流量程应选择1uA，另外Vstop=85v。（原为80.0v）

标牌没有的参数保持原样。单击“下一步”，电脑自动测绘IA~VG2K曲线。第16页/共24页d．读数：读出各峰值、谷值的电压、电流数据（注意电流单位）共约12个点，每点两数据。

慢慢滚动鼠标滚轮，可使曲线上下平移。1、移动十字准线，左下角窗口可直接读数。2、如需精确读数，可点击窗口右下的“<<”按钮，调出曲线测量数据查找准确读数。第17页/共24页2、第二次测量：改变灯丝电压关闭并重新打开程序，设置参数时改变灯丝电压，在标准参数上加或减0.1V，重复进行实验，测绘曲线。分析F-H实验曲线的变化并讨论其原因。（提示：灯丝电压影响阴极发射的电子数目）加或减只需变化一次。第18页/共24页3、第三次测量：改变拒斥电压VG2A回到标准参数，改变拒斥电压VG2A，在标准参数上加或减2V，重复进行实验，测绘曲线。分析F-H实验曲线的变化并讨论其原因。第19页/共24页其它实验方式本实验也可采用手动或自动模式。电流图可以输出至示波器显示。以上内容了解即可，本次实验不做。第20页/共24页数据记录及处理自行设计表格记录数据。1．由各波谷的电位求出第一激发电位U0。（波峰误差较大，不用）(1)前后波谷电压相减取平均。（必须做） (2)如有6组U谷，可用逐差法计算。（附加）2．将实验测得的U0与公认值11.55V比较,求出百分差

3.

画图：用毫米方格纸画出IA~VG2K曲线。测量三组数据，每组都要完成1~3的要求。第21页/共24页[思考题]

1．本实验装置能否测氩原子第二激发电位？为什么？2．依据实验数据，从以下几方面分析灯丝电压、拒斥电压对F-H试验曲线的影响：电流大小如何变化？曲线是否有左右平移现象？改变参数后，测得U0有没有变