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1、学习必备 欢迎下载 6.1 夫兰克- 赫兹实验 20世纪初，对原子光谱学的研究，证明了原子能级的存在，原子光谱中的每根谱线，就是原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射。然而原子能级的存在除了可由光谱研究实证外，还有另外一种方法：1914 年，德国物理学家夫兰克和赫兹，利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高能级，并通过研究电子与原子碰撞前后电子能量的改变情况，测定了氩原子的第一激发点位，从而直接证明了原子能级的存在。同时也证明了原子发生跃迁时吸收和发射能量是完全确定的、 不连续的。这就是著名的夫兰克- 赫兹实验。它成了波尔原子理论的一个有力实验证明，这两位物理学家也因此获得
2、了 1925年的若贝尔物理奖。 【预习重点】 ： 1 什么是波尔能级？波尔的能级跃迁理论是如何描述的？ 2 本实验的实验原理及方法。 【教学重点】 ： 1）通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的学习必备 欢迎下载 存在。 2）通过实验加深对能级概念的理解。 【教学难点】 ： 理解原子能级分离态 【课程讲授】 ： 什么是第一激发电位？ 如何测定氩原子第一激发电位？ 一、 实验原理 1 波尔原子模型 波尔原子模型理论认为，原子时由原子核和以核为中心沿各种不同直径轨道旋转的一些电子构成的，如图。 波尔原子模型 原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射然而原子能级的存在除了可由光谱研究实证外还有
3、另外一种方法年德国物理学家夫兰克和赫兹利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高能级并通过研究电子与原子生跃迁时吸收和发射能量是完全确定的不连续的这就是著名的夫兰克赫兹实验它成了波尔原子理论的一个有实验证明这两位物理学家也因此获得了年的若贝尔物理奖预习重点什么是波尔能级波尔的能级跃迁理论是如何描述的本实验对能级概念的理解教学难点理解原子能级分离态课程讲授什么是第一激发电位如何测定氩原子第一激发电位一实验原理波尔原子模型波尔原子模型理论认为原子时由原子核和以核为中心沿各种不同直径轨道旋转的一些电子构成的如学习必备 欢迎下载 对于不同原子，这些轨道上的电子数分布各不相同。而在一定轨道
4、上的电子，相应的原子具有一定的能量。当电子处在某些轨道上运动时，相应的原子就处在一个稳定的能量状态，简称定态。在这些状态中，原子不吸收也不辐射能量，能量状态最低的状态称为基态，当原子的电子的状态从低能量的轨道跃迁到其它较高能量的轨道时（例如从图中 I 跃迁到 II） ，我们称该原子进入受激状态。如电子从第 I 轨道跃迁到 II 轨道，该原子进入第一激发态；如电子从第I 轨道跃迁到III 轨道， 则该原子进入第三激发态。 波尔原子模型指出： 1）. 原子只能处在一些不连续的稳定状态（定态中） ，其中每一定态相应于一定的能量 Ei（i=1,2,3,mn） 。 2）.当一个原子从某种定态 Em跃迁到
5、另一定态 En时，就吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于两定态之间的能量差 EnEm,并满足以下关系： h=EnEm 式中普朗克常量 h=6.6310-34Js。 原子正常情况下，处于基态，当原子吸收电磁波或者受到其它有足够能量的粒子（电子）碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。从基态跃迁到第一激发态所需要的能量称为临界能量。当电子与原子碰撞时，原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射然而原子能级的存在除了可由光谱研究实证外还有另外一种方法年德国物理学家夫兰克和赫兹利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高能级并通过研究电子与原子生跃迁时吸收和发射能量是完全确定
6、的不连续的这就是著名的夫兰克赫兹实验它成了波尔原子理论的一个有实验证明这两位物理学家也因此获得了年的若贝尔物理奖预习重点什么是波尔能级波尔的能级跃迁理论是如何描述的本实验对能级概念的理解教学难点理解原子能级分离态课程讲授什么是第一激发电位如何测定氩原子第一激发电位一实验原理波尔原子模型波尔原子模型理论认为原子时由原子核和以核为中心沿各种不同直径轨道旋转的一些电子构成的如学习必备 欢迎下载 如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞，电子碰撞后能量基本不变，只改变运动方向。如果电子动能大于临界能量，则发生非弹性碰撞，这时电子可把数值为 E=EnE1的能量交给原子（其中 En为激发态能量，E1为基态
7、能量） ，其余能量仍然由电子保留。 如初始电子为零的电子在电位差为 U0的加速电场中运动， 则电子可以获得的能量为 eU0;如果加速电压 U0恰好使电子能量 eU0等于原子的临界能量，即 eU0= E2E1，则U0称为第一激发电位或临界电位，测出 U0，则可以知道原子由基态到第一激发态所需要的能量差 E2E1。 2 测量 U0的实验装置及其原理 原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射然而原子能级的存在除了可由光谱研究实证外还有另外一种方法年德国物理学家夫兰克和赫兹利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高能级并通过研究电子与原子生跃迁时吸收和发射能量是完全确定的不连续的这就是著
8、名的夫兰克赫兹实验它成了波尔原子理论的一个有实验证明这两位物理学家也因此获得了年的若贝尔物理奖预习重点什么是波尔能级波尔的能级跃迁理论是如何描述的本实验对能级概念的理解教学难点理解原子能级分离态课程讲授什么是第一激发电位如何测定氩原子第一激发电位一实验原理波尔原子模型波尔原子模型理论认为原子时由原子核和以核为中心沿各种不同直径轨道旋转的一些电子构成的如学习必备 欢迎下载 a)当 UG2K较小， 使 eU0 E= E2E1时， 电子与氩原子弹性碰撞， 电子与原子交换能量较小，板电流IA随UG2K增大而增大，对应AB段； b)当 UG2K增大到使 eU0 E= E2E1时，电子与氩原原子从某个较高
9、能级向较低能级跃迁时的辐射然而原子能级的存在除了可由光谱研究实证外还有另外一种方法年德国物理学家夫兰克和赫兹利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高能级并通过研究电子与原子生跃迁时吸收和发射能量是完全确定的不连续的这就是著名的夫兰克赫兹实验它成了波尔原子理论的一个有实验证明这两位物理学家也因此获得了年的若贝尔物理奖预习重点什么是波尔能级波尔的能级跃迁理论是如何描述的本实验对能级概念的理解教学难点理解原子能级分离态课程讲授什么是第一激发电位如何测定氩原子第一激发电位一实验原理波尔原子模型波尔原子模型理论认为原子时由原子核和以核为中心沿各种不同直径轨道旋转的一些电子构成的如学习必备
10、 欢迎下载 子在第二栅极发生 非弹性碰撞 ，电子全部能量交给原子， 氩原子从基态跃迁到 第一激发态 ， 电子全部能量交给原子，即使穿过第二栅极也难以克服拒斥电压UGA到达极板A，所以对应的极板电流IA显著减小，对应BC段； 而当电压进一步增大，使得电子发生碰撞后能积聚更多的能量穿过第二栅极后到达极板A，这时电流IA又继续上升，对应图中CD段。 c) 当 UG2K增大到使 eU02 E=2( E2E1)时,电子又会因为与氩原子发生第二次非弹性碰撞而失去能量，因而造成电流IA第二次下降（如图DE段） 。 于是电子的能量随着加速电压的增加而周期性的变化。因此在IA-UG2K曲线图上相邻波峰或波谷之间
11、加速电压差值，就是第一激发电位值U0。 二、 实验仪器 （略） 三、实验步骤（手动测试） 1）认真阅读实验教程，理解实验内容。 2） 检查线路连接是否正确， 确认正确后按下电源开关，开启实验仪器。 3）检查开机状态。选择手动挡，此时绿灯亮。 原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射然而原子能级的存在除了可由光谱研究实证外还有另外一种方法年德国物理学家夫兰克和赫兹利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高能级并通过研究电子与原子生跃迁时吸收和发射能量是完全确定的不连续的这就是著名的夫兰克赫兹实验它成了波尔原子理论的一个有实验证明这两位物理学家也因此获得了年的若贝尔物理奖预习重点什么
12、是波尔能级波尔的能级跃迁理论是如何描述的本实验对能级概念的理解教学难点理解原子能级分离态课程讲授什么是第一激发电位如何测定氩原子第一激发电位一实验原理波尔原子模型波尔原子模型理论认为原子时由原子核和以核为中心沿各种不同直径轨道旋转的一些电子构成的如学习必备 欢迎下载 4）设置电流量程。用区选择键设定适当电流档（一般设为 10 A 或者 100 A） 5）设定电源电压值。根据仪器提供的参考数值分别设置灯丝电压 UF, UG1K, UG2A。 6）按下区键，UG2k电压值设置为零，然后按动区键，每改变步长为 0.5V 使 UG2k电压值不断增加，每改变一次，记录相应的电流值。一直加到 80V 左右
13、。 四、数据记录和数据处理 UF= UG1K= UG2A= 数据处理要求： 1） 在坐标纸上作 IA-UG2K曲线 2） 记录峰值或谷值对应的 UG2K的值 Ui, 并用逐差法求氩原子的第一激发电位 U0 五、注意事项 1）F-H管很容易因为电压设置不合适而遭到损坏，所以一定要按照规定的实验步骤和设当的状态进行实验。（本实验按照仪器提供的实验参数进行，见桌面左上角） 原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射然而原子能级的存在除了可由光谱研究实证外还有另外一种方法年德国物理学家夫兰克和赫兹利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高能级并通过研究电子与原子生跃迁时吸收和发射能量是完全
14、确定的不连续的这就是著名的夫兰克赫兹实验它成了波尔原子理论的一个有实验证明这两位物理学家也因此获得了年的若贝尔物理奖预习重点什么是波尔能级波尔的能级跃迁理论是如何描述的本实验对能级概念的理解教学难点理解原子能级分离态课程讲授什么是第一激发电位如何测定氩原子第一激发电位一实验原理波尔原子模型波尔原子模型理论认为原子时由原子核和以核为中心沿各种不同直径轨道旋转的一些电子构成的如学习必备 欢迎下载 2）在测量激发电位时，注意 UG2K超过 75V 以后电流输出指示，当电流表突然陡增时应缓慢增加电压，防止电压超过所设量程（如设置为 10 A） 。因为一旦 UG2K过大会造成氩原子电离，可能让正离子到达
15、极板而烧坏 F-H管。 六、课后思考题 1 为什么 IA-UG2K曲线中各谷点电流随 UG2K的增加而变大？且该曲线呈周期性变化？ 2 从实验曲线可以看出，极板电流并不是突然改变的，每个峰和谷都有圆滑的过渡，这是为什么？ 3 在 IA-UG2K曲线上，为什么对应极板电流 IA第一个峰的加速电压 UG2K不等于 11.6V（即为氩原子的第一激发电位 U0）？ 原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射然而原子能级的存在除了可由光谱研究实证外还有另外一种方法年德国物理学家夫兰克和赫兹利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高能级并通过研究电子与原子生跃迁时吸收和发射能量是完全确定的不连续的这就是著名的夫兰克赫兹实验它成了波尔原子理论的一个有实验证明这两位物理学家也因此获得了年的若贝尔物理奖预习重点什么是波尔能级波尔的能级跃迁理论是如何描述的本实验对能级概念的理解教学难点理解原子能级分离态课程讲授什么是第一激发电位如何测定氩原子第一激发电位一实验原理波尔原子模型波尔原子模型理论认为原子时由原子核和以核为中心沿各种不同直径轨道旋转的一些电子构成的如
