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1、近代物理实验报告实验 3-2 夫兰克赫兹实验实验室温度：16.5 实验日期：2013-4-19【摘要】本实验采用夫兰克（Frank）和赫兹（Hertz）于 1914年使用的简单的实验方法，用慢电子轰击稀薄气体的原子，通过研究输出电流和加速电压的曲线关系，测量了氩原子和汞原子的第一激发电位，进而证明了原子分立态的存在。实验结果误差较小。【关键词】碰撞，激发，夫兰克赫兹实验仪1914 年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采取慢电子(几个到几十个电子伏特) 与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，
2、电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了 1925 年诺贝尔物理学奖。1、实验目的 学习关于原子碰撞激发和测量的方法。 测量氩原子的第一激发电位。 通过对氩原子激发电位的测量 证实原子能级的存在。二、实验原理根据波尔原子模型理论，原子一定轨道上的电子，具有一定的能量，当同一原子的电子从低能量轨道跃迁到较高能量轨道时，就称原子处于受激状态。玻尔理论的前提是波尔提出的两条基本假设：（1）定态假设。原子只能处在一些不连续的稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值 （ ） ；（2）频率定则。iE,.,321nm当一个原子从一个
3、稳定状态过渡到另一个稳定状态时，就吸收或辐射一定频率的电磁波，频率 的大小决定于原子所处两定态之间的能量差，满足：mnEh式中 代表较高能态， 代表较低能态， 为普朗克常数。nEmE当电子与原子碰撞时，如果电子能量大于临界能量，二者发生非弹性碰撞，电子把能量传递给原子，使原子从正常态跃迁到第一激发态。假设初速为零的电子在电位差 的加速下具有激发速度 ，则有：VvmnegEvV21其中 为第一激发电位，即临界电位，这是当电子具有的能量恰好使原子从正常态跃g迁到第一激发态时的加速电压。当 时，电子与原子只能发生弹性碰撞，碰撞前后电子能量几乎不变，只改gV变运动方向。三、实验内容和装置本实验有两种实
4、验方法：手动测量和示波器测量，下面分别加以叙述。（1）手动测量1. 测量氩原子第一激发态1) 图一为夫兰克赫兹实验仪。打开电源开关，切换“手动”档，微电流倍增开关置于“10 -9”；2) 调节灯丝电压 、控制栅电压 、拒斥电压 至参考值；HVKGV1AGV23) 旋转第二栅极电压 调节旋钮，测定 曲线。使 缓慢增加，每KG2 KAIKG2增加 1V，记录相应的 值。AI图一2测量汞原子第一激发态1) 如图二所示连接电路，加热 Hg 至指定温度（185）使 Hg 汽化 ；2) 调节灯丝电压 、控制栅电压 、拒斥电压 至参考值；HVKGV1AGV23) 手动工作方式粗测。缓慢调节“手动调节”电位器
5、，增大加速电压，电流大小的变化即表明峰谷信号的变化（加速电压达到 5060V 时，约有十个峰出现） 。图二（2）示波器测量1) 打开电源开关，切换“自动”档；2) 调节灯丝电压 、控制栅电压 、拒斥电压 至参考值，预热十分钟，HVKGV1AGV2等带波形稳定后再测量；3) 将仪器上的“同步信号”与示波器的“同步信号”相连， “Y”与示波器的“Y”相连。 “Y 增益”一般置于“0.1V”档；“时基”一般置于“1ms”档，此时示波器上显示出夫兰克赫兹曲线；4) 调节“实际微调”旋钮，使一个扫描周期正好布满示波器的 10 格，扫描电压最大为 120V，量出各峰值的水平距离（格数） ，乘以 12V/格
6、，即为各峰值对应的值，用逐差法求出氩原子第一激发电位。KGV24、数据处理和分析（1）手动测量1. 测量氩原子第一激发态缓慢增大 ，每增大 1V 记录数据，如表一。KGV2表一KG2(V)PI(nA)2(V)PI(nA)KGV2(V)PI(nA)KGV2(V)PI(nA)KGV2(V)PI(nA)KGV2(V)PI(nA)1 0 21 30 41 23 61 31 81 72 101 672 0 22 31 42 33 62 20 82 71 102 733 0 23 32 43 42 63 20 83 66 103 794 0 24 31 44 47 64 30 84 60 104 855
7、0 25 29 45 49 65 41 85 51 105 906 0 26 26 46 49 66 53 86 46 106 937 0 27 21 47 45 67 60 87 45 107 948 0 28 17 48 39 68 64 88 49 108 929 0 29 19 49 28 69 65 89 57 109 8910 0 30 24 50 17 70 63 90 64 110 8611 0 31 30 51 13 71 57 91 71 111 8412 0 32 35 52 20 72 49 92 77 112 8313 0 33 38 53 33 73 39 93 8
8、0 113 8514 0 34 40 54 44 74 31 94 81 114 8815 0 35 40 55 52 75 31 95 79 115 9316 7 36 37 56 57 76 39 96 74 116 9917 17 37 30 57 57 77 49 97 69 117 10418 23 38 22 58 55 78 58 98 64 118 10919 26 39 14 59 50 79 66 99 62 119 11220 28 40 14 60 42 80 70 100 63 120 113用 Origin 作图，得到氩原子的 曲线，如图三。KGAVI2图三拾取多峰
9、后得到如下数据，见表二，并线性拟合如图四。表二峰值序号 1 2 3 4 5 6 7 8峰值位置 23.08752 34.40693 45.35318 57.04575 69.04931 80.74189 93.92714 107.0502图四从图中可以读出本次试验标准参数下的氩原子第一激发点位（即曲线斜率） V95.10氩原子的第一激发电位理论值为 11.52V，相对误差 %7.352.1-92. 测量汞原子第一激发态缓慢增大 ，每增大 1V 记录数据，如表三。KGV2表三(V)2(10-8A)PI(V)KGV2(10-8A)PI(V)KGV2(10-8A)PI1 0 21 1.8 41 3.
10、02 0 22 2.2 42 4.53 0 23 3.8 43 7.04 0 24 2.2 44 6.55 0 25 1.8 45 4.56 0.2 26 1.8 46 3.57 0.6 27 3.0 47 5.08 0.8 28 4.2 48 7.59 0.8 29 3.0 49 8.010 0.8 30 2.0 50 5.811 0.8 31 2.2 5112 1.0 32 3.8 5213 1.9 33 5.2 5314 1.0 34 4.2 5415 0.9 35 2.4 5516 1.0 36 2.2 5617 1.9 37 4.1 5718 2.5 38 6.3 5819 1.8
11、39 5.2 5920 1.6 40 3.0 60用 Origin 作图，得到氩原子的 曲线，如图五。KGAVI2图五拾取多峰后得到如下数据，见表四，并线性拟合如图六。表四峰值序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9峰值位置 8.14083 12.93869 18.05642 23.01422 27.99867 33.11639 38.07419 43.03199 48.92270图六从图中可以读出本次试验标准参数下的汞原子第一激发点位（即曲线斜率） V0.5氩原子的第一激发电位理论值为 ，相对误差V9.4 %0.219.4-05（2）示波器测量从示波器观察到的波形如图七：图七表五记录了波峰间
12、隔。表五峰值序号 1 2 3 4 5 6 7 8(V)KGV224.0 33.6 45.6 56.4 68.4 79.2 92.4 104.4(V)6.116483726150 VViiiVVni 1.7328186.1.2136.0.26.10.26.191200 (V).0V氩原子的第一激发电位理论值为 11.52V，相对误差 %6.1052.1-7五、注意事项1. 实验装置使用220V 交流单相电源，电源进线中的地线要接触良好，以防干扰和确保安全。2. 函数记录仪的 X 输入负端不能与 Y 输入的负端连接，也不能与记录仪的地线（）连接，否则要损坏仪器。3. 实验过程中若产生电离击穿（即电
13、流表严重过载现象）时，要立即将加速电压减少到零。以免损坏管子。4. 加热炉外壳温度较高，移动时注意用把手，导线也不要靠在炉壁上，以免灼伤和塑料线软化。6、讨论1. 第一峰值位置为何与第一激发电位有偏差？ 答：受 V 的影响， 处的电子有一定初速度，而又由于 的影响，并不是GIK1 PGV2所有到达 的电子都能最终形成电流，理想情况是 ，电子恰好能形成2GPGKV2电流。观察实验得到的三条曲线都在大概 10V 左右才开始有明显的增大，也说明时恰好形成电流。这样从 电压开始才有 的循环往复关PKV2PGV2PI2系。所以第一激发电位有偏差。7、结论本实验采用夫兰克（Frank）和赫兹（Hertz）于 1914年使用的简单的实验方法，用慢电子轰击稀薄气体的原子，通过研究输出电流和加速电压的曲线关系，并利用数学工具 Origin对数据进行处理，得到了氩原子和汞原子的第一激发电位，分别是11.95V（11.7V）和 5.0V，与理论值相对误差较小。进而证明了原子分立态的存在。【参考文献】1Massachusette Institute of Technology Junior Physics Laboratory, Experiment 7,1997-19782戴乐山，戴道宣. 近代物理实验. 复旦大学出版社，1995
