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1、弗兰克赫兹实验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Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射能量满足DE = Em-En （1）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，否则不吸收。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
2、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。夫兰克赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。一、实验目的图1弗兰克-赫兹实验原理图电子氩原子KG2G1AIUG2KUG1KUG2A微电流仪灯丝电压1、测量氩原子的第一激发电位；2、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。二、实验仪器 DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪，BY4320G示波器三、实验原理夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K，板极A，G1 、G2分别为第一、第二栅极。K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量
3、。的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G2-A加反向电压，形成拒斥电场。电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大于或等于e，就能到达板极形成板极电流I.电子在不同区间的情况：1. K-G1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。2. G1-G2区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差DEE2-E1 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DE，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。DE称为临界能量。图2弗兰克-赫兹实验I
4、曲线a b c I (nA)O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U73. G2-A区间 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 G2A则不能达到板极。由此可见，若eUG2KnDE则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流I随加速电压变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差DU称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差DE= eDU （2）四、实验内容测量原子的第一激发电位。通过曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一激发电位。五、实验操作步骤1将面板上的四对插座（灯丝电压，：第二栅压，：第一栅压，：拒
5、斥电压）按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。微电流检测器已在内部连好。将仪器的“信号输出”与示波器的“CH1输入（X）”相连；仪器的“同步输出”与示波器的“外接输入”相连。注意：各对插线应一一对号入座，切不可插错！否则会损坏电子管或仪器。2打开仪器电源和示波器电源。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10-9A、10-A、10-A和10-A、开机时位于“10-9A”本实验保持此档不变。5按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压、拒斥电压、电流量程I预置相应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“”键或“”键，更改预置值，若按下“
6、” 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“set” 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1V记录相应I 和.值，注意：在示波器所观察的曲线峰值位置附近每0.2V记录相应IA 和值，不少于10个点。12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关闭仪器电源和示波器电源。六、数据处理要求1.作出曲线，确定出I极大时所对应的电压.2.用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。 (3)式中n为峰序数，DU为第一激发电位。思考题：1. 曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？2.I 的谷值并不为零，而且谷值依次沿轴升高，如何解释？3.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。3
