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1、15实验二 夫兰克-赫兹实验预备知识今天的物理学的重要特征是描述物理现象的许多量是量子化的，也就是说，这些量不能取任意的连续值，而仅限于一些分立的值。最普通的例子是电磁辐射的强度、原子系统的能量和电荷。从下面四个实验中可得出这种量子化的有力证明：1.夫兰克-赫兹实验。利用加速的电子与原子的非弹性碰撞将原子由低能态激发到高能态，直接证明了原子内部能量的不连续性，证实了原子分立能级的存在，并提供一种测量激发电位的方法。2.光电效应实验，证实了光量子概念的正确性。在光电效应中被释放的电子从辐射场吸收能量 （是普朗克常数） ，它联系着微观世界普遍存在的波粒二象性，揭示能量交h换量子化的规律。3.密立根
2、油滴实验。通过对微小油滴所带电荷的测量，证实油滴电荷是最小单位电荷(电子电荷)的整数倍，由此直观而准确地测量了电子电荷。以上这些实验在物理学史上是很著名的，对近代物理学的发展起过重要作用。安排这些实验的目的，除加深对原子物理和量子论基本概念的理解外，还为了掌握实验中使用的方法，以及测量微电流的仪器与技术。4.氢原子光谱。光谱线系的规律与原子结构有内在的联系。原子光谱的研究对原子物理和量子力学的发展起过很大作用，特别是氢原子光谱，它是最简单、最典型的一种光谱，研究得最早、最透彻。对原子光谱的分析有力地证实了原子中分立能级的存在。给玻尔原子结构的理论有力的支持。人们正是通过原子在不同能级之间跃迁产
3、生的发射和吸收光谱来研究原子能级结构，进而认识原子内部的各种相互作用和运动。在夫兰克-赫兹实验和光电效应实验中都涉及到微电流的测量。我们用微电流测试仪(又称微电流测量放大器)来测量微电流。微电流测试仪的基本原理如图 2.0-1 所示。图中为理想运算放大器，为取样电阻， 0为输出电压， i为输入电流(即被测电流)，它与输出电压的关系为 0- i s即被测电流 i与输出电压成正比。根据此式即可通过测 0而测出电流。测量不同量级的微电流对于选择运算放大器、取样电阻以及安装技术有不同的要求。在（1 -12）级电流测量中，对运算放大器的输入偏置电流要求更为苛刻(应远小于 1)。为提高运算放大器的输入阻抗
4、，可采用电子管、静电计管(如-） 、场效应管（如 3） 、参量放大器等。事实上，纯理想的情况并不存在，因此微电流的测量会引入多种误差，况且噪声和干扰也会影响测量，为此必须采取相应的措施。如隔离和屏蔽技术、补偿等等。我们使用的微电流测试仪，为前级采用-2 型静电计管的直流放大器，它的输入阻抗 1010，测量范围为 1 51 13 。微电流的测量在科学技术的许多领域得到广泛应用。引言年，丹麦物理学家 玻尔（）在卢瑟福原子核式模型的基础上，16结合普朗克的量子理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论，玻尔理论是原子物理学发展史上的一个重要里程碑。在玻尔原子结构理论发表的第二年，即年，夫兰克
5、（ ）和赫兹（ ）用慢电子与稀薄气体原子碰撞的 方法，使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子内部量子化能级的存在，证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的，不连续的，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。由于此项卓越的成就，他俩获得了年的诺贝尔物理学奖。实验目的1.通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。2.分析灯丝电压、拒斥电压等因素对-实验曲线的影响。根据玻尔理论，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值，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
6、量差的能量。如果处于基态的原子要发生状态改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要的能量。夫兰克-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。设氩原子的基态能量为 1，第一激发态的能量为 2，初速为零的电子在电位差为 0的加速电场作用下，获得能量为 0，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量 0 2 1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。如果 0 2 1 ，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞。氩原子从电子中取得能量 ，而由基态跃迁到第一激发态， 0。相应的电位差即为氩原子的第一激发
7、电位。夫兰克-赫兹实验原理如图 2.1-1 所示，在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极 K 和栅极 G 之间的加速电压 GK使电子加速，在板极 A 和栅极之间有减速电压(拒斥电压) AG，管内电位分布如图 2.1-2 所示，当电子通过 KG 空间进入 GA 空间时。如果能量大于 AG，就能达到板极形成板流。电子在 KG 空间与氩原子发生了非弹性碰撞后，17电子本身剩余的能量小于 AG，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 GK逐渐增加，仔细观察板极电流的变化我们将观察到如图 2.1-3 所示的 A GK曲线。随着 GK的增加，电子能量增加，当电子与氩原子碰
8、撞后还留下足够的能量，可以克服 GA 空间的减速电场而到达板极 A 时，板极电流又开始上升。如果电子在 KG 空间得到的能量2 时，电子在 KG 空间会因二次非弹性碰撞而失去能量，造成第二次板极电流下降。在 GK较高的情况下，电子在跑向栅极的路程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞。只要 GK 0（1，2， ） ，就发生这种碰撞。在 A GK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 GK之差，即为原子的第一激发电位。如果氩原子从第一激发态又跃迁到基态，这就应当有相同的能量以光的形式放出，其波长可以计算出来： 0，使用光谱仪器确实能观察到这些波长的谱线。实验仪器1、实验原理图简化为
9、入如图 5 所示的示意图2、仪器结构FD-FH-I 夫兰克赫兹仪器结构如图 6 所示。电压指示：通过波段开关分别指示 Vf、V G1、V p、V G2。I P电流增益波段开关：1uA、100nA、10nA、1nA。I P电流指示：电流实际值波段开关指示值示值/100（统一以 nA 为单位）电源开关（灯具开关） 。V G2输出(V G2显示值已经衰减 10 倍，即真实值显示值10)。V G2扫描开关：拨至“手调”时由多圈电位器调节；拨至“扫描”时由多圈电位器所调的电压扫描至 0V。V G2扫描速度开关。I P输出：接示波器、记录仪或计算机接口。18电压指示波段开关：改变电压表指示的电压。V f电
10、压调节旋钮。V G1电压调节旋钮。V p电压调节旋钮。V G2电压调节旋钮。图 6实验内容1.测量氩原子的第一激发电位。2.描绘出夫兰克-赫兹管的阳极电流 与加速电压 的关系曲线。IpV2G3.分析灯丝电压 Vf、拒斥电压 VP、控制栅极极电压 VG1等因素对-实验曲线的影响。实验步骤1.将所有电位器逆时针旋至 0, IP电流增益波段开关拨至 100nA(或 10nA)、IP输出(8)、V G2输出(5)通过 Q9接头连接至示波器上。2.打开电源,将(V G1、V P、V f)调节至参考参数中的参考值。3.打开示波器，将扫描开关(6)拨至自动扫描,扫描开关(7)拨至快速。调整示波器相应电位器，
11、逐渐调节 VG2观察 关系曲线，调节 VG1、V P的大小至I2pG关系曲线的波峰清晰、圆滑对称。I2pG4. 将扫描开关(6)拨至手动扫描,扫描开关(7)拨至慢速，逐渐调节 VG2（显示值每隔 0.1V）观察 IP电流指示(5)，记录相应的 VG2和 IP值，在坐标纸描绘关系曲线，并根据曲线计算出氩原子第一激发电位。VI2pG5.将氩原子第一激发电位的实验值与理论值（11.55）比较，作误差分析。注意事项1.所有仪器应在接线检查无误后才能开启电源。开关电源时应将调节电位器左旋至零。2.在调节 VG2和 Vf时注意 VG2和 Vf过大会导致电子管电离,电子管电离后电子管电流会自发增大直至烧毁.电离对阴极具有极大的破坏性,所以一旦发现 IP负值或正值超过就应迅速关机,5 分钟后重新开机。A104.管子的“灯丝电压 ”只能在实验室提供数据之间选用，电压过高阴极发射能力过强，管子易老化；过低会使阴极中毒，损坏管子。5.注意各个仪器的参数各不相同,一定要按仪器使用说明书中规定的参数进行调节。思考题191.灯丝电压对实验结果有何影响?是否影响第一激发电位?2.管子阴极和栅极间的接触电位差对 A GK曲线有何影响?3.如何测定较高能级激发电位或电离电位?
