《工科物理实验》课件 3.19 夫兰克讲稿

夫兰克赫兹实验氩原子第一激发电势测定2345JamesFranckGustav

Hertz61913年，伟大的物理学家玻尔(N.Bohr)根据原子光谱的规律性和卢瑟福(E.Rutherford)的原子核式模型等，提出了原子结构量子理论，成功地解释了氢原子的光谱，为量子力学的建立起了巨大的推动作用。但玻尔理论的定态假说与经典的电动力学有明显冲突，频率法则又带有浓厚的人为因素，在当时很难为人们所接受。1914年，夫兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)采用电场加速电子轰击气态汞原引言卢瑟福(Rutherford)原子的核式模型8氢原子光谱图910子的方法研究汞原子的电离电势，发现电子与汞原子碰撞，存在一临界能量，当电子的能量小于该能量时，电子和汞原子产生弹性碰撞，电子不损失能量，当电子的能量大于该能量时，电子和汞原子产生非弹性碰撞，电子把一定的能量传递给汞原子并使其激发，进而可观察到汞原子退激发的谱线，这就是历史上著名的夫兰克-赫兹实验。它为玻尔(N.Bohr)的原子结构量子理论提供了决定性证据，对量子理论的建立具有重要意义。1925年，夫兰克和赫兹荣获诺贝尔物理学奖。

11一、实验目的和任务理解夫兰克-赫兹实验的原理，学习原子激发电势的测定方法，加深对原子结构的认识。测定氩原子的第一激发电势，证实原子能级的存在。

12①原子光谱实验和量子理论已经证明：原子能够而且只能够处于一系列的、不连续的、具有确定值的能量状态(简称定态)。在这些状态时，不发射或吸收能量；原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能由一个定态跃迁到另一个定态。1、原子结构量子理论图1氢原子能级图二、实验原理13②

原子从一个定态(En)跃迁到另一个定态(Em)时将吸收或辐射一定的能量，吸收或辐射的能量只能是这两个能级的能量差。EmEnEmEn图2原子吸收和辐射能量示意图例如，电子碰撞原子可以激发原子到高能态。~~~~~14E1图3原子能级结构示意图③

原子的第一激发电势。基态第一激发态第二激发态第

n

激发态－E0eU0

=E2E3EnE0E0E0=eU1

eU2eUn==－－－………第一激发态我们的任务就是要测定氩原子的第一激发电势U0,怎么测？15E1E0E1–E0=eU02、氩原子第一激发电势测定分析E1–E0=

E=eU0U0=E/e

E

E怎么测？VAeV如果eV<E1-E2，电子和氩原子产生弹性碰撞，电流无变化。如果eV=E1-E2，电子和氩原子产生非弹性碰撞，氩原子由基态激发到第一激发态，能量增加，电子能量很小，不能通过拒斥电场，电流表电流减小。此时

E=eV，由此得：U0=E/e=eV/e=V16A3、实验仪器结构示意图V第一栅极第二栅极阴极板极灯丝电源氩原子第一栅极电压实验中保持不变灯丝加速电压实验中不断增大

拒斥电压实验中保持不变

17A第一栅极第二栅极阴极板极灯丝电源氩原子电子灯丝4、实验仪器工作原理V消除热发射电子在阴极附近空间的电荷堆积，提高阴极的电子发射能力加速电子使其获得能量筛选电子，即只允许能量大于或等于eVG2A的电子由第二栅极到达板极A18

电子由阴极K至第二栅极获得能量：eVG2k

电子由阴极K至第二栅极损失能量：0

电子到达第二栅极处的能量：获得能量损失能量=eVG2k<eVG2A故IA=019

电子由阴极K至第二栅极获得能量：eVG2k

电子由阴极K至第二栅极损失能量：0

电子到达第二栅极处的能量：获得能量损失能量=eVG2k≥eVG2A故IA增加20

电子由阴极K至第二栅极获得能量：eVG2k

电子由阴极K至第二栅极损失能量：eU0

电子到达第二栅极处的能量：获得能量损失能量=故IA减小eVG2keU0eVG2A<eVG2keU0显然21

电子由阴极K至第二栅极获得能量：eVG2k

电子由阴极K至第二栅极损失能量：eU0

电子到达第二栅极处的能量：获得能量损失能量=eVG2keU0eVG2A故IA增加≥eVG2keU0显然2223三、主要实验仪器夫兰克一赫兹实验仪计算机242526

27西华大学物理实验中心2829四、数据处理18.029.140.251.462.774.130注意事项夫兰克-赫兹管的供电线路千万不能接错。在设置实验参数时，灯丝电压应小于4.5V，第一栅压应小于6.0V，拒斥电压应小于8.0V，请勿超出此范围，以免对仪器造成损坏。灯丝电压、第一栅极电压、拒斥电压不能设置的过大或过小。31预祝各位同学实验顺利！32恳请大家赐教，谢谢！3334灯丝电压：第一栅压：拒斥电压：测量步距：时间步距：【实验数据处理】2.7V11.2编号U1U2U3U4U5U6电压(V)1.5V6.0V0.1V0