夫兰克-赫兹实验

夫兰克——赫兹实验提出原子的能量是量子化的原子模型。

1914年,夫兰克和赫兹用慢电子轰击淡薄气体的原子,讨论碰撞前后电子能量的转变状况,以间接了解原子能量的变化,在对结果的分析中,发觉了原子量子化汲取和原子的激发能态,并观看到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线,验证了原子能级的存在,为玻尔原子模型供应了有利的证明。

为此夫兰克和赫兹二人于1925年获得了诺贝尔物理奖。

一、试验目的1、夫兰克和赫兹讨论原子内部能量的基本思想和试验设计方法。

把握测量原子激发电势的试验方法。

2、测量***原子的第一激发电势,从而验证原子能级的存在。

二、试验原理图1-4-1-试验原理图1-4-2—曲线图1-4-1为夫兰克—赫兹试验原理图。

图中上方为一个专用的充气管,称为,—,管。

管中充有淡薄的***气体原子。

管内有三个电极,、,、,。

热阴极,用来放射电子,栅极,相对于,加有正向可调整电压,。

从被加热的阴极,放射大量的电子,这些电,,子受到之间的电场作用,获得能量向栅极加速运动;之间的空间又是电子与原子相互碰撞的区域。

板极,相对于栅极,加有肯定的反向,,,之间的阻滞场称为拒斥电场使那些沿电场方向的动能小于||的电子不能到达板极,。

电流计,用来测量板流,依据板流的大小就可以确定到达板极的电子数。

试验时,使,从零开头渐渐增加,电子的能量就随之增加,在开头阶段因加速电,,压低,电子得到的能量小,与***原子只能发生弹性碰撞,几乎没有能量损失,因而能克服拒斥电场而达到板极,板流,将随,的增大而增大。

当,达到原子的第一激发电,,,,,势,,即,,,时,电子与***原子发生非弹性碰撞,原子汲取了电子的全部动能而,,激发;电子因失去动能就不能克服,而到达板极,,就明显减小,形成第一个谷点。

,,,再增加,时,电子获得的能量也随之增加,在与原子碰撞后,由于加速电场的作用,,,还有足够的能量克服拒斥电场作用而达到板极,,因而,将又随,的增加而增大。

当,,,1,增加到***原子第一激发电势的二倍时,电子因与原子发生两次非弹性碰撞而失去能,,量,故而形成了其次次板流,下降。

由此可知,随着,的增加,板流,就显示出一,,,,系列的极大值和微小值。

如图1-4-,所示。

电流极大值的电压应当是第一激发电势的,整数倍。

考虑到热电子有肯定初速度,而且各极间因材料不同而有肯定的接触电势差等缘由,整个曲线发生偏移,使各极大0值处的电压转变,但各相邻极值间的距离不变,所以相邻两个极大值或微小值处对应的栅压差就是第一激发电势,。

即,凡加速栅压,为,,,,,+=1,2,…1,,0此时相应的板流,就会下降形成谷点。

把测出的板流中各谷点对应的栅压,代入上式即,可求出***原子的第一激发电位,。

影响试验的主要因素有:1、接触电位差的影响—管阴极、栅极和板极往往采纳不同的金属材料,因此会产生接触电位差,使真正加到电子上的加速电压不等于,而是与接触电位差的代数和。

所以接触电位差的存在会使-曲线左右偏移。

02、热电子放射的影响由于阴极发出的热电子能量听从麦克斯韦统计分布规律,因此-曲线中板流的下降不是陡然的,而是在极大、微小值四周消失的“峰”,“谷”有肯定宽度。

3、碰撞几率的影响由于电子与淡薄***原子碰撞有肯定几率,即一部分电子与***原子发生非弹性碰撞损失能量后,不能克服拒斥电压到达板极从而造成板流下降,而另一部分电子未与***原子发生非弹性碰撞,因此能够到达板极形成板流,所以板极电流下降不为零;又因加速电压越高电子的能量就越大,电子与***乘原子的碰撞几率就越小,因此“谷”、炉温对试验的影响炉温转变时,***原子饱和蒸汽压发生转变,从而引起电子与***原子碰撞平均自由程5,1,10的变化。

温度=150时,电子热运动平均速率的数量级为,而蒸汽中***原,2,1子热运动平均速率的数量级为,所以,在讨论电子与原子碰撞时,可认为***,10原子不动。

与***原子相比,电子的尺寸很小,可用图1-4-2所示的模型计算一个电子在单位时间内与***原子碰撞的次数22,,02式中为***原子半径,为单位体积内的气体原子数***原子浓度。

0电子的平均自由程1,,,2,0由分子物理可知。

=代人上式得:,,32,,10式中是***蒸汽温度,是饱和***蒸汽压强。

已知***原子的半径=,10;,23,1,10,。

100,150,200饱和***,,,。

炉温的大小打算***原子低能级或高能级的激发。

在空间的加速电场中,电子在每个平均自由程内,获得的能量为=,4为空间加速电场的场强,为电子电量。

温度较高时,平均自由程短150时,,值较小,因而激发***原子较低能级的几率大;反之,温度较低,则大,,,100时,,值较大,电子有可能激发***原子到较高能级乃至使***原子电,,2离。

因此,在—管中激发的是什么跃迁,取决于温度的掌握。

一般测量激发电位的温~180。

度掌握在150图1-4-3碰撞模型三、仪器与装置—试验仪包括控温加热炉,—管,温度计、微电流测量放大器、慢扫描示波器或函数记录仪、万用电表。

其结构如图所示3图1-4-4-试验装置图微电流测量放大器包括:1—管灯丝电源,开路时为沟通10,接入灯丝后,可调整范围3~8。

2-管栅极电源,供应0~50可调直流电源和周期约为10、幅度50的锯齿波电压,分别供手动操作和示波器显示或函数记录仪自动记录时用。

3反向拒斥电压电源,,产生空间的反向拒斥电场。

4微电流测量放大器,采纳高,5,1310输入阻抗,测量范围10~10,10,四、试验内容与方法1仪器的安装调试预热将仪器妥当接地不要用电源零线作地线,灯丝电压置于最低,调到最小,插好一管温度计。

接通电源开关,使加热炉与微电流测量放大器预热。

调整温控旋钮,使炉温上升并稳定在150~180范围内的某一温度上。

2连机将微电流测量放大器“栅压选择”开关拨向“”,按图4用专用导线将加热炉与测量放大器上的各对应电极,,,接通。

依据—管的试验参数调整好灯丝电压、拒斥电压。

2逐点手动测量激发电位1粗测:渐渐增加栅极加速电压,观看板极电流的变化,大致登记电流“峰”值与“谷”值时的电压数值。

栅极加速电压接近满量程时,板极电流应达到或接近满量程,假如板极电流较小,应调整电流放大倍数或增加灯丝电压,降低拒斥电压或降低—管温度;假如板极电流超过量程,则反之。

在增加栅极加速电压过程中,假如发觉板极电流突然增加,此时是—管内发生电离现象,应马上减小或去掉栅极加速电压,以防损坏—管或烧坏微电流放大器。

电离产生往往是由于—管温度太低的缘由,应加温到规定管温后再进行试验。

2逐点测量:加速电位“渐渐增加,。

为便于作图,在电流极值峰谷值。

转变温度如140、150、160、180等,分别测量和值。

43数据处理:在同一张坐标纸上作出不同温度下的~“曲线,由曲线确定出各,极值电位值,由式1作逐差法或回归法计算,求出***原子第一激发态电位和相关系0数,求出的测量误差。

“”,“”插座接人慢扫描示波器或函数记录仪即可进行观看和记录。

—管说明书中供应的电离电位测量参数,调整好各种电压和温度70~90,其他同2用手动测量的调整即可观看到电离现象,即电流突然剧增时,测出栅极加速电压,通过第一个峰〉定标可确定电离电位的大小。

五、留意事项1、操作肯定要按挨次进行,在操作前要全面阅读该试验讲义全文,拟定操作要点。

2、连机时,要先接好加热炉一端,再接放大器一端,以免电源短路。

3、要依据试验要求调整好试验参数和状态。

4、加热炉外壳温度很高,操作时留意避开灼伤。

5、试验中可从加热炉前观看窗看到和间有明暗相间的淡蓝色光带。

这是正常现象,如蓝白色光布满全管,说明管内被电击穿,应马上降低,以保持—管不损坏。

6、装卸—管时,因极板引出头处玻壳很薄,务必当心。

,7、为达到抱负