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1、 夫兰克-赫兹实验中国民航飞行学院 物理实验室2009.9背景 1913年，丹麦物理学家玻尔（N Bohr）提出了一个氢原子模型， 并指出原子存在能级。该模型在预 言氢光谱的观察中取得了显著的成 功。根据玻尔的原子理论，原子光 谱中的每根谱线表示原子从某一个 较高能态向另一个较低能态跃迁时 的辐射。 NBohr （波尔）(1885-1962)背景o1914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192
2、5年的诺贝尔物理学奖。 JAMES FRANCK （夫兰克） (1882-1964) GUSTAV HERTZ（赫兹） (1887-1975)背景夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要 手段之一，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。目的1.了解夫兰克-赫兹实验的原理和方法。2.测定氩原子的第一激发电位，验证原子能 级的存在。实验仪器原理激发电位 夫兰克一赫兹实验原理 激发电位 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。原子的能量只能从一个定态跃迁到另一个 定态。原子从一个定态跃迁到
3、另一个定态而发射或吸收辐射时， 辐射频率是一定的。E0 （基态）E1 （第一激发态）（第二激发态） E2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。设氩原子的基态能量为E0 ，第一激发态的能量为E1 ，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 电子与氩原子发生碰撞。（1）当电子能量eU0 E1- E0时，电子与氩原子只能发生弹性碰撞，由于 电子质量比氩原子质量小得多，电子能量损失很少。（2）当电子能量eU0 E1- E0时,电子与氩原子会产生非弹性碰撞，氩原子 从电子中取得E能量而由基态跃迁到第一激发态， eU0
4、= E= E1- E0 ，相应的电位差U0，即为氩原子的第一激发电位。夫兰克-赫兹实验原理夫兰克-赫兹实验电路原理F-H管中充满了氩气阴极K：灯丝加热后，阴极发射出电子板极A：接收电子第一栅极 G1，第二栅极 G2G1-K：加速电场 G2-K：加速电场 G2-A：拒斥电场o IA UG2K曲线实验步骤 连接好各组工作电源线，仔细检查，确定无误 打开电源，将实验仪预热2030分钟 实验步骤 按下相应电流量程键，设定电流量程、灯丝电压VF、第 一加速电压VG1K、拒斥电压VG2A的值 （电流量程可参考 机箱盖上提供的数据）。实验步骤 实验步骤 按下“启动”键和“VG2K”档位键，实验开始。用电压调
5、节键，从0.0V开始，按步长0.5V的电压 值调节电压源VG2K，到82V止。记录下每个VG2K的值 和对应的电流值IA 【注：为保证实验数据的唯一性，VG2K的值必须从小到大单向调节，不可在过程中反复；记录完成最后一组数据后，立即按“启动键”将VG2K电压快速归零。】VG2K电压归零等候5分钟，重复上述步骤，再次测量测试结束，关闭电源，整理仪器。 实验内容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U按图连接线路。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。手调加速电压U2，记录IPU2对应的数值，手工描绘出IPU2 相应的特性曲线，由此算得氩原子的第一激发电位。注意事项仪器应该检查无误后才接通电源。灯丝电压VF不宜放得过大，一般在2V左右 ，如电流偏小再适当增加。要防止F-H管击穿（电流急剧增大），如 发生击穿应立即调低电压VG2以免损坏F-H 管。实验完毕，立即将VG2K电压快速归零 数据处理用逐差法计算氩原子的第一激发电位。在坐标纸上描绘各组IA-VG2K数据对应曲线 。逐差法处理数据(2)作图法处理数据
