夫兰克-赫兹实验

夫兰克—赫兹实验任课教师：

一、实验目的1.学习原子激发的基本过程，加深对原子能级结构的理解；2.通过对相应电压和微电流的测量，得出氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在。3.了解气体放电现象中低能电子与原子间相互作用的实验思想和方法。二、学史背景原子的有核模型

卢瑟福于1911年提出了原子的有核模型验证性实验：α粒子散射实验原子有核模型与经典电磁理论的矛盾

二、学史背景按经典电磁理论，电子绕核转动具有加速度，要向周围空间辐射电磁波，光谱应为连续光谱。但实验表明：氢原子所发出的光谱为线状光谱。按经典电磁理论，由于电子绕核运动时，电子能量不断减少，原子应是一个不稳定系统。但实验事实是：原子具有高度的稳定性。二、学史背景玻尔的基本假设

1913年，玻尔（N·Bohr）在卢瑟福原子核模型、普朗克的量子概念及爱因斯坦的光子概念引用到原子系统，提出了关于原子模型的三条基本假设，满意地解释了氢原子光谱的规律性，为量子理论的建立奠定了基础，为此玻尔获得了1922年的诺贝尔物理学奖。玻尔理论的局限性：这个理论本身仍是以经典理论为基础，它只能解释氢原子以及类氢原子（如锂++离子，等）的光谱，在解决其他原子的光谱是就遇到了困难。

二、学史背景玻尔的基本假设

1.轨道角动量量子化假设

在原子内，电子绕核作圆周运动的所有轨道中，只有电子的角动量等于h/2π的整数倍的那些轨道上，运动才是稳定的；2.定态假设

电子在上述假设所允许的任一轨道上运动时，原子处于稳定的运动状态(称为定态)，并具有一定的能量E1，

E2，

E3，

E4，……3.跃迁假设(频率条件)二、学史背景

夫兰克-赫兹实验：1914年，夫兰克（J.Flanck）和赫兹（G.L.Hertz）在研究Hg蒸气放电现象中，采取低能电子（几个到几十个电子伏特）与原子碰撞的办法，观察到每隔4.9V电位差，集电极电流都要突降一次。Bohr在1915年针对F-H实验结果，指出4.9V正是他的能级理论中第一激发电位。夫兰克—赫兹实验是近代物理方面的重要实验之一，实验采用了与光谱研究相独立的方法，证实了存在分立的原子能级，即证实了原子内部能量是量子化。

实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术。夫兰克和赫兹共同获得了1925年的诺贝尔物理学奖。N·BOHR

（玻尔）二、学史背景J.FRANCK

（夫兰克）G.L.HERTZ（赫兹）三、实验原理电量为e电子，在电压V1的加速电场作用下获得动能eV1，通过碰撞使原子从基态E0跃迁到第一激发态E1V1称为第一激发电位。三、实验原理当电子的加速电压VG2<原子第一激发电位V1，电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换：为“弹性碰撞”。电子与原子的碰撞可分为弹性和非弹性碰撞两类。当电子的加速电压VG2≥原子第一激发电位V1，电子与原子碰撞发生动能与内能的交换：为“非弹性碰撞”。三、实验原理具有四极的F-H管示意图，如下图所示。灯丝电压VF给阴极K加热，电压值1.3-5V；控制栅极G1

，作用是加一个正向电压VG1，用以消除电子在阴极附近的堆积效应，并起到控制电子流大小的作用。VG1值0-6V，一般取在1-2伏。三、实验原理控制栅极G2很靠近于阳极P，K-G2之间有较大的空间距离。在阴极K与控制栅极G2之间加可调的加速电压VG2，热电子从阴极出发经过K-G2之间的电场逐渐加速并与原子碰撞。VG2的取值0-100V。三、实验原理在G2-P间加一个不太高的减速电压VP，电子穿过栅极G2后受到G2-P减速电场的作用，只有动能大于eVP的电子才能到达阳极P形成阳极电流Ip。VP的取值10V左右。三、实验原理

电子从阴极出发经过K-G2之间的电场逐渐加速并与原子碰撞。电子在加速电压为VG2的电场中获得的动能为eVG2，当电子的动能大于等于原子的第一激发态的能量，这时电子将自身动能的转换为原子的内能，使氩原子由基态跃迁到第一激发态，电子的动能因此而减少。这一过程发生的是非弹性碰撞。此后电子在加速电压的作用下重新加速获得动能，直到电子的动能重新大于等于原子的第一激发态的能量，将会又一次与气体原子发生非弹性碰撞。电子失去动能时，IP减小。在VG2电压增加过程中：

三、实验原理由此，我们可以得到如图所示IP-VG2的曲线。曲线上相邻两峰（或谷）之间的VG2之差，即为氩原子的第一激发电位。这即证明了氩原子能量状态的不连续性。电源开关VG2输出IP输出自动/手动快速/慢速电压显示选择IP显示IP放大选择电压显示VF调节VG1调节VP调节VG2调节四、实验装置示波器五、实验内容1.用示波器观察IP-VG2关系曲线接线：用Q9线“VG2

输出”接“CH1X”、“IP输出”接“CH2Y”。将扫描开关调至“自动”挡；扫描速度开关调至“快速”挡；把电流增益波段开关拨至“10nA”挡；将VF

、VG1

、VG2

、VP

旋钮都调到最小。打开示波器的电源开关，“TIME/DIV”调至“X-Y”档，信号输入方式全部打到“DC”档。接通F-H实验仪电源开关，电压指示波段开关依次调至VF、VG1、VP挡,分别调节VF

、VG1、VP电压至生产厂家标定数值（标在主机上部标签上）。将VG2

旋钮调节至最大，调节示波器，可以观察到稳定的氩的IP-VG2曲线。五、实验内容五、实验内容2.手动测量氩原子第一激发电位把扫描开关调至“手动”挡,调节VG2至最小，然后逐渐增大其值（从10～85V），测量对应的IP

值以及相应的VG2

值，每隔1V记录一组数据。为了得到波峰的准确位置，在IP

值的极大值附近数据间隔可适当取密一些。数据记录方法IP

值：表头示值乘电流增益波段开关选择的挡位，如表头显示“3.23”，电流增益波段开关选择“10nA”挡，那么实际测量电流值应该为“32.3nA”；VG2值：表头示值×10V，如表头显示“6.35”，那么实际电压值应为“63.5V”）。列出表格，作出氩的IP-VG2关系曲线图，得出氩的第一激发电位。数据记录：

VF=

V;VG1=

V;VP=

V次数n12345678910111213VG2(V)次数n14151617181920212223242526VG2(V)次数n27282930…VG2(V)六、数据记录与处理六、数据记录与处理作图法处理数据

班级:

姓名:

学号:日期:逐差法处理数据六、数据记录与处理2.第一激发电位：V1=

V2=

V3=V4=

V5=

V6=

1.记录曲线最高点对应的电压：七、注意事项1.开