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1、弗兰克赫兹实验弗兰克-赫兹实验是 1914 年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子 碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔 的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。1913年丹麦物理学家玻尔（NBohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指 出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量 E ）向低能态（能量 E ）跃迁时才辐 mn 射。辐射能量满足AE = E -E（1）mn 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸
2、收。电子氩原子灯丝电压图 1 弗兰克 -赫兹实验原理图1914年德国物理学家弗兰克（JFranck）和赫兹（GHertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定 了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原 子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克赫兹实验的结 果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论获 1922 年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹 的实验也于 1925 年获此奖。【实验目的】1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。3、测量氩原子的第一激
3、发电位；4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；【实验器材】智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器【实验原理】夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K阳极A，G、G分别为第12 一、第二栅极。K-G-G 加正向电压，为电子提供能量。 U 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响， 1 2G1K提高发射效率。 G-A 加反向电压，形成拒斥电场。2电子从K发出，在K-G区间获得能量，在G-A区间损失能量。如果电子进入G-A区域时动能大2 2 2 于或等于 eU ，就能到达阳极形成阳极电流 I.G2A电子在不同区间的情况：1. K-G 区间 电子迅速被电场加速而获得能
4、量。2. G-G区间 电子与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差AE=E-E1 2 2 1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到AE，则可能在碰撞中被 氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。AE称为临界能量。3. G-A 区间2电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于 eU 则不能G2A图2弗兰克-赫兹实验UI曲线G2K达到阳极。由此可见，若eU nAE，则电子在进入G -A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流I随加G2K2速电压U变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差AU称为氩原子的第一
5、G2K激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差2)AE= eAU【实验内容及步骤】测量原子的第一激发电位。通过U -I曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一G2K激发电位。一、实验步骤1将面板上的四对插座（灯丝电压， U ：第二栅压， U ：第一栅压， U ：拒斥电压）按G2KG1KG2A面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器） 连接好。2打开仪器电源,开启计算机（或示波器）。 3“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动 ”灯点亮。4. 电流档为lOrA、lOrA、10-vA和IOpA、开机时位于“ 10-9A”本实验保持此
6、档不变。5. 按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压u、拒斥电压U 、电流量程I预置相G1KG2A应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“人”键或“V”键，更改预置值，若按下“”键或 “” 键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。6. 电子管的加载。同时按下“ se t”键和“”键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压 等四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载 ”指示灯亮。注意：只有四组电压都加载时，此 灯才常亮。7四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验。8按下“自动/手动”键，此时“自动 ”灯点亮。此时仪器进入自动测量状态。9. 在自动测量状态下，第二栅压从0开始变
7、到85V结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置，并 记录相应的第二栅压值。10. 自动状态测量结束后，按“自动/手动”键到“手动”状态，等待5分钟后进行手动测量。11 改变第二栅压从0开始变到85V结束，要求每改变IV记录相应I和U 值。G2K12. 实验完毕后，同时按下“set ”键+ “”键，“加载”指示灯熄灭，使四组电压卸载。13. 关闭仪器电源。二、数据处理1作出U -I曲线，确定出I极大时所对应的电压U.G2KG 2K2. 用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。【思考题】1. U -I 曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？G2K2.I的谷值并不为零，而且谷值依次沿U 轴升高，如何解释？G2K3. 第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？4. 写出氩原子第一激发态与基态的能级差。【注意事项】灯丝电压和加速电压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。 一旦发现I为负值或正值超过10“A,迅速关机，5分钟后重新开机。
