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1、弗兰克弗兰克- -赫兹实验赫兹实验青海师范大学物理系近代物理实验桑萃萃l尼尔斯尼尔斯玻尔玻尔 （Niels Bohr,1885-1962）丹麦丹麦物理学家物理学家，哥本哈根学派的创始人。，哥本哈根学派的创始人。1885年年10月月7日生于哥本哈根，日生于哥本哈根，1903年入年入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。物理学。1907年以有关水的表面张力的年以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖章，并先后于章，并先后于1909年和年和1911年分别以关年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学于金属电子论的
2、论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习，先在剑桥国学习，先在剑桥JJ汤姆孙主持的汤姆孙主持的卡文迪什实验室，几个月后转赴曼彻斯卡文迪什实验室，几个月后转赴曼彻斯特，参加了以特，参加了以E卢瑟福为首的科学集卢瑟福为首的科学集体，从此和卢瑟福建立了长期的密切关体，从此和卢瑟福建立了长期的密切关系。系。 实实 验验 简简 介介 玻尔提出的原子理论有两个基本假设：玻尔提出的原子理论有两个基本假设：(1) (1) 原原子子只只能能较较长长久久地地停停留留在在一一些些稳稳定定状状态态，简简称称“定定态态”，原原子子在在这这些些状状态态时时不不发发射射
3、也也不不吸吸收收能能量量，各各定定态态的的能能量量是是彼彼此此分分隔隔的的原原子子的的能能量量不不论论通通过过什什么么方方式式发发生生改改变变，只只能能使原子从一个定态跃迁到另一个定态；使原子从一个定态跃迁到另一个定态；(2) (2) 原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射能原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射能量时，辐射的频率是一定的如果用量时，辐射的频率是一定的如果用 和和 代表有关二定代表有关二定态的能量，辐射的频率决定于如下关系：态的能量，辐射的频率决定于如下关系：式中式中 为普朗克常量为普朗克常量 在玻尔提出原子结构的量子理论后，在玻尔提出原子结构的量子理论后， 弗
4、兰弗兰克克( (J JFranck)Franck)和赫兹和赫兹( (G GHertz)Hertz)在在19141914年在用慢年在用慢电子轰击稀薄气体原子做原子电离电位测定时，电子轰击稀薄气体原子做原子电离电位测定时，偶然地发现了原子的激发能态和量子化的吸收现偶然地发现了原子的激发能态和量子化的吸收现象，并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出象，并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，从而直接证明了玻尔原子结构的量子的光谱线，从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们获得了理论，为此他们获得了19251925年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖。弗兰克 G.赫兹 (James Fra
5、nck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克和哈雷大学的G.赫兹以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律.实实 验验 目目 的的 1.1.本本实实验验通通过过对对氩氩原原子子第第一一激激发发电电位位的的测测量量，了了解解弗弗兰兰克克和和赫赫兹兹研研究究原原子子内内部部能能量量量量子子化化的的基基本本思思想想和和方法；方法； 2.2.了了解解电电子子与与原原子子碰碰撞撞和和能能量量交交换换过过程程的的微微观观图图像像，以及影响这个过程的主要物理因素以及影响这个过程的主要物理因素实实 验验 原原 理理1. 实实 验
6、验 原原 理理 图图2. 物物 理理 过过 程程3. I-UGK 曲曲 线线当电子的加速电压当电子的加速电压UG2K原子第一激发电势原子第一激发电势U0电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换。电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换。为为“弹性碰撞弹性碰撞”电子碰撞前后速度不变电子碰撞前后速度不变当电子的加速电压当电子的加速电压U原子第一激发电势原子第一激发电势U1电子与原子碰撞发生动能与内能的交换电子与原子碰撞发生动能与内能的交换为为“非弹性碰撞非弹性碰撞”电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子三极管示意图l 夫兰克-赫兹实验仪器最初设计如图6-3-1所示。在玻璃
7、器中充入要测量气体。电子由阴极K发出。在K与栅极G之间加电场使电子加速。在G与板极A之间有一反向拒斥电压。当电子通过KG空间，进入GA空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反电场而达到电极A（板极），成为通过电流计的电流。如果电子在KG空间与原子碰撞，把自己一部分的能量给了原子，使后者被激发。电子剩余的能量就可能很小，以致过栅极G后已不足以克服反向拒斥电压，那就达不到A，因而也不流过电流计。如果发生这样情况的电子很多，电流计中的电流就要显著地降低。为了消除空间电荷对阴极电子发射的影响，在阴极附近再增加一栅极，构成四极管。 四极管示意图UG1K:第一栅极电压； UG2K:加速电压；UG2A：反向拒斥
8、电压； 实验时，把实验时，把KG2KG2间的电压间的电压 ( (加速电压加速电压) )逐渐增加，观察电逐渐增加，观察电流计的电流。这样就得到流计的电流。这样就得到A A极电流随加速电压的变化情况极电流随加速电压的变化情况 l 电子在加速运动过程中，必然要与氩原子发生碰撞。如果碰撞前电子的能量小于原子的第一激发电位对应的能量eU0（对氩原子U0=11.5V），那么他们之间的碰撞是弹性的。然而如果电子的能量e UG2K达到eU0 （实验中），那么电子与原子之间将发生非弹性碰撞。在碰撞过程中，电子的能量传递给氩原子。假设这种碰撞发生在栅极附近，那些因碰撞而损失了能量的电子在穿过栅极之后无力克服反向拒
9、斥电压而到不了板极A，因此这时板流开始下降。l随着加速电压的增加，电子与原子的非弹性碰撞区域将向阴极方向移动。经碰撞而损失能量的电子在奔向栅极的剩余路程上又得到加速，以致在穿过栅极之后有足够的能量来克服反向拒斥电压而达到板极A。此时，板流又将随加速电压的增加而升高。若这个增加使电子在到达栅极前其能量又达到U0，则电子与氩原子将再次发生非弹性碰撞，即又一次下降。在 较高的情况下，电子在向栅极飞奔的路程上，将与氩原子多次发生非弹性碰撞。每当UG2K=nU0（n=1，2，），就发生这种碰撞。（在实验中，可看出，由于仪器的接触电势的存在，每次开始下降时，所对应的加速电压并不是正好落在U0的整数倍的整数
10、倍处，可能会稍有误差）即在曲线上出现的多次下降。对于图中每两个相邻峰值的差值均约为11.5V，即氩的第一激发电位为11.5V。KG2PUG2IPU1U1U1U1U1U1:原子的第一激发电势原子的第一激发电势(电位电位)电源开关电源开关UG2输出输出IP输出输出自动自动/手动手动快速快速/慢速慢速电压电压显示显示选择选择IP显示显示IP放大选择放大选择电压显示电压显示UF调节调节UG1调节调节UP调节调节UG2调节调节实实 验验 仪仪 器器实实 验验 内内 容容2.手手动动测测量量氩氩原原子子的的 曲曲线线，每每变变化化1.0V测测量量一一个个点点，选选择择60-80个个数数据据作作图图，标标出
11、出峰峰值值，取取第第一一个个峰峰 和和第第六六个个峰峰 ，利利用用 计计算算出出氩氩原子的平均第一激发电位，和参考值原子的平均第一激发电位，和参考值 比较。比较。1. 根据仪器标签确定：根据仪器标签确定：灯灯丝丝电电源源电电压压、 、 。注注意意 不不得得超超过过90V。3.测量出氩的第一激发电位测量出氩的第一激发电位U1.注意：注意：1 1、各电压值须按照给定值进行设置；、各电压值须按照给定值进行设置；2 2、U UG2KG2K设定终止值不要超过设定终止值不要超过9090V V。3 3、手动测试完毕后，尽快将手动测试完毕后，尽快将U UG2KG2K减为零。减为零。求相对误差求相对误差Er，理论值，理论值11.55V.实验曲线实验曲线-用坐标纸用坐标纸思考题思考题1.1.灯丝温度对实验结果有何影响？灯丝温度对实验结果有何影响？答：温度过低时，不足以加热灯丝阴极，电子数量不答：温度过低时，不足以加热灯丝阴极，电子数量不足，板极电流小，使结果出现较大误差。足，板极电流小，使结果出现较大误差。2. 2. 管子阴极和栅极间的接触电位差对管子阴极和栅极间的接触电位差对IA IA VaVa 曲线曲线有何影啊？有何影啊？3 3如何测定较高能级激发电位或电离电位如何测定较高能级激发电位或电离电位? ?
