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1、夫兰克夫兰克- - 赫兹实验赫兹实验背景背景1914年，夫兰克（JFrank)和赫兹(G.Hertz）采用 慢电子轰击原子的方法，利用两者的非弹性碰撞将原子激 发到较高能级。直接证明了原子内部量子化能级的存在， 给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方 法的实验证据。因此他们获得了1925年的诺贝尔物理学 奖。FranckFranck- Hertz ExperimentHertz Experiment南京信息工程大学物理实验中心南京信息工程大学物理实验中心南京信息工程大学物理实验中心南京信息工程大学物理实验中心JAMES FRANCK （夫兰克）（夫兰克）GUSTAV HERTZ（赫
2、兹）（赫兹）目的目的o 1.了解夫兰克- 赫兹实验的原理和方法。 o 2.测定氩原子的第一激发电位，验证原子能 级的存在。原理原理o玻尔理论玻尔理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳 定状态（即定态），其中每一状态对应于一定的能 量，各定态的能量是分立的。原子只能吸收或辐射 相当于两定态间能量差值的能量。即 o h = E2-E1=E o 电子与原子的碰撞电子与原子的碰撞可分为弹性和非弹性碰撞两类. 弹性碰撞时，电子动能损耗极小，近似以原速率反 向运动，系统动能守恒。非弹性碰撞时，电子损耗 大量能量，速率明显减小。系统的动能损耗被原子 吸收，此时原子将由底能级向高能级跃迁。o 夫兰克一赫兹实验
3、夫兰克一赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子 碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃 迁。设氢原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为 E2，初速为零的电子在电位差为U0的加速电场作用 下，获得能量为eU0 ，具有这种能量的电子与氢原子 发生碰撞，当电子能量EU0E2-E1时，电子与氢原 子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氢原子质量小 得多，电子能量损失很少。如果 ，电子与氢原子会产 生非弹性碰撞，氢原子从电子中取得能量E 而由基 态跃迁到第一激发态， eU0 = E，相应的电位差 U0。即为氢原子的第一激发电位。o 夫兰克夫兰克- - 赫兹实验电路原理赫兹实验电路原理o 夫兰克一赫
4、兹实验电路原理夫兰克一赫兹实验电路原理如图1所示，在充氩的夫兰 克- - 赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和第二栅极 G2之间的加速电压U2，使电子加速。在极板P和栅极 G2之间加有减速电压U3，管内电位分布如图所示。当 电子通过KG2空间进入G2P空间时如果能量大于eE3， 就能达到板极形成板流。电子在KG2空间与氩原子发 生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于eE3，则 电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而 减少。实验时使U2逐渐增加，仔细观察板极电流IP的 变化，我们将观察到如图2所示的IP U2曲线。图图 r原子的原子的IP-U2特性曲线特性曲线0510152025303
5、54045500102030405060708090U2(V)IP(10-8)oIP U2曲线曲线o随着随着U2的增加的增加，电子能量增加。当电子与氢原子碰 撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场 而到达板极P，此时板极电流将开始上升。如果电子 在KG2空间得到的能量 eU2=2 E，电子在KG空间 会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电 流下降。在U2较高的情况下，电子在跑向栅极的路 程中，将与氢原子发生多次非弹性碰撞、只要U2= n E（ n=1， 2，），就发生这种碰撞。在IP U2曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰 （或谷）对应的U0之差，即为原子的第一激发
6、电位。原子的激发电位原子的激发电位实验仪器实验仪器 o F- H实验装置包括F- H管、稳压电源、扫描 电源和微电流测试仪等部分。 o 稳压电源输出分EF，E1和E3三组。分别提供灯丝 电压UF、控制栅电压U1和减速电压U3。 o 加速电压U2由扫描电源E2供给，输出波形为锯齿 波，扫描分为手动和自动两种。 o 微电流测试仪用以测量nA数量级的板极电流。实验内容实验内容o 测绘夫兰克赫兹管的板流IP与加速电压U2的 关系曲线，测定氩原子的第一激发电位Uo 按图连接线路。 o 根据实验卡的数据，调节灯丝电压UF、栅极电压U1减速电压 U3等参数。 o 手调加速电压U2，记录IPU2对应的数值，手
7、工描绘出IP U2相应的特性曲线，由此算得氩原子的第一激发电位。注意事项注意事项o 线路连好后检查无误，方可开启电源。开关电源时应将 调节电位器左旋至零。 o 各参考电压一定要在实验卡给定的数据范围之内，否则 将造成管子的老化或激穿。 o 调节灯丝电压UF时，电流IP在一分钟后达到稳定，才 能读数测量。 o 实验完毕，请先将调节电位器左旋至零，再关闭电源， 拆除导线。数据记录与处理数据记录与处理1.数据记录数据记录UF=;UG1=;UG2P=;382512392613372411U2(V)36353433323130292827NU2(V)23222120191817161514NU2(V)10987654321N)10(8AIP)10(8AIP)10(8AIP2.数据处理数据处理(1)逐差法处理数据逐差法处理数据04152631() (V)9UUUUUUU=+=(2)作图法处理数据作图法处理数据IP-U2特性曲线特性曲线051015202530354045500102030405060708090U2(V)IP(10-8A)(V) )(91 3625140=+=UUUUUUU思考题思考题o 、IPU2曲线是如何形成的？ o 、IPU2曲线中的第一个峰值对应的横坐标 电压值，是否就是氩原子的第一激发电压？请 说明原因。
