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1、夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验历史背景及意义历史背景及意义 19111911年，卢瑟福根据年，卢瑟福根据粒子散射实验，提出了原子核粒子散射实验，提出了原子核模型。模型。19131913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波能级和能级跃迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率定则
2、。随着英国物理能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯（学家埃万斯（E.J.EvansE.J.Evans）对光谱的研究，玻尔理论被确）对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在实验方法的验证。随后，在19141914年，德国科学家夫兰克和年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法( (与光谱研究相独立与光谱研究相独立) )，简单而巧妙地直接证实了原子能级，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，
3、并且实现了对原子的可控激发，从而为玻尔原子的存在，并且实现了对原子的可控激发，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。理论提供了有力的证据。 1925 1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖（年的诺贝尔物理学奖（19261926年于德国洛丁根补发）。年于德国洛丁根补发）。夫兰克夫兰克- -赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。的经典实验。(JAMES FRANCK)(GUSTAV HERTZ
4、)1.1.实验目的：验证原子能量的量子化。实验目的：验证原子能量的量子化。2.2.实验原理（结合装置介绍）：实验原理（结合装置介绍）：一一一一. . . . 第一激发电势的测定第一激发电势的测定第一激发电势的测定第一激发电势的测定原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据原子内部能量量子化证据: : (1) (1) 原子光谱分立性原子光谱分立性原子光谱分立性原子光谱分立性 ; ; (2) (2) 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验KK：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子：热阴极，发射电子KGKG区：电子加速，与区：电子加速，与区：电子加速，与区：电子加速，
5、与HgHg原原原原子碰撞子碰撞子碰撞子碰撞GAGA区：电子减速，能量大区：电子减速，能量大区：电子减速，能量大区：电子减速，能量大于于于于0.5 0.5 eVeV的电子可克服反向的电子可克服反向的电子可克服反向的电子可克服反向偏压，产生电流偏压，产生电流偏压，产生电流偏压，产生电流夫兰克夫兰克- -赫兹实验装置赫兹实验装置夫兰克-赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞。电子由阴级K发出，K与栅极G之间有加速电场，G与接收极A之间有减速电场。当电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场，就成为电流计的电流。3. 3. 实验结果实验结果非弹性碰撞，电子损失能非弹
6、性碰撞，电子损失能非弹性碰撞，电子损失能非弹性碰撞，电子损失能量，激发量，激发量，激发量，激发HgHgHgHg原子原子原子原子弹性碰撞，电子几乎不损弹性碰撞，电子几乎不损弹性碰撞，电子几乎不损弹性碰撞，电子几乎不损失能量失能量失能量失能量电子经过电子经过电子经过电子经过 次加速和非弹性碰撞，次加速和非弹性碰撞，次加速和非弹性碰撞，次加速和非弹性碰撞，能量全部损失，电流最小。能量全部损失，电流最小。能量全部损失，电流最小。能量全部损失，电流最小。理论解释：理论解释：4.4.结果讨论结果讨论汞原子从基态到第一激发态的汞原子从基态到第一激发态的激发电势激发电势为为4.9V4.9V，则，则第一激发能第
7、一激发能 (Excited Energy) 为为若原子从第一激发态跃迁到基态，放出能量，则若原子从第一激发态跃迁到基态，放出能量，则实验与理论符合非常好实验与理论符合非常好二二二二. . . . 较高激发电势的测定较高激发电势的测定较高激发电势的测定较高激发电势的测定K K K K：旁热式热阴极，均匀发：旁热式热阴极，均匀发：旁热式热阴极，均匀发：旁热式热阴极，均匀发射电子，提高能量测量精度射电子，提高能量测量精度射电子，提高能量测量精度射电子，提高能量测量精度KGKGKGKG1 1 1 1区：电子加速区：电子加速区：电子加速区：电子加速G G G G1 1 1 1G G G G2 2 2 2
8、区：电子与原子碰撞区：电子与原子碰撞区：电子与原子碰撞区：电子与原子碰撞G G G G2 2 2 2A A A A区：电子减速区：电子减速区：电子减速区：电子减速19201920年年年年, ,HertzHertz测得测得测得测得4.9 4.9 eVeV以上的高激发能以上的高激发能以上的高激发能以上的高激发能FranckFranck改进实验装置改进实验装置改进实验装置改进实验装置19241924年，年，年，年，1.1.实验装置及实验原理实验装置及实验原理2. . 实验结果实验结果 （见（见P P4545, , 图图2.122.12）夫兰克夫兰克- -赫兹实验装置赫兹实验装置三三三三. . . .
9、 电离电势的测定电离电势的测定电离电势的测定电离电势的测定电离：电离：如果给原子足够大的能量，可以使原子中的电子离如果给原子足够大的能量，可以使原子中的电子离 去，叫电离。去，叫电离。电离电势：电离电势：从中性的原子把一个电子电离出去需要的电压。从中性的原子把一个电子电离出去需要的电压。1.1.实验装置及原理实验装置及原理K K K K，K K K K1 1 1 1：发射电子的热阴极：发射电子的热阴极：发射电子的热阴极：发射电子的热阴极G G G G：圆柱形金属网；：圆柱形金属网；：圆柱形金属网；：圆柱形金属网；A A A A：圆柱形阳极，：圆柱形阳极，：圆柱形阳极，：圆柱形阳极，G G G
10、G，A A A A同电位。同电位。同电位。同电位。G G G G1 1 1 1: : : : 金属网金属网金属网金属网实验装置实验装置氩管夫兰克氩管夫兰克赫兹管赫兹管 特点：特点：采用充氩夫兰克-赫兹管，比以前使用充汞管方式有了重大改进，去掉了较为落后的灯管加热炉装置，即便于操作，又避免了由于温度控制不精确而对实验造成的误差、以及汞蒸气对人体及环境的污染。 实验原理实验原理 充氩夫兰克-赫兹管的基本结构见右图。电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A。AVVG1KKVG2KG1
11、VG2AG2电子氩原子A灯丝夫兰克赫兹管结构图 注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏的电压，用于消除阴极电子散射的影响。 设氩原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零的电子在电位差为V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eVE1-E0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eVE1-E0=E，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E，而由基态跃迁到第一激发态，E=eVC。相应的电位差VC即为氖原子的第一激发电位。 在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA
12、，得到如下图所示的变化曲线. 图2-2-4 夫兰克赫兹管的IAVG2K曲线oIAacbdeV1V2V3V4V5V6(nA)VG2Ko实验内容及操作步骤实验内容及操作步骤 实验内容实验内容用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一激发电位，并做比较。分析灯丝电压、拒斥电压的改变对FH实验曲线的影响。了解计算机数据采集、数据处理的方法。 操作步骤操作步骤正确认识电路连接及原理；启动预热；（注：预热开始，就必须设定好以下几个值：V灯、VG1K、VG2A，根据仪器给定参数设定，VG2K=30v）正式测量；手动测试；联机测试。 不许拔下仪器前面板上的导线，进行违规连不许拔下仪器前面板上的导线，进行违
13、规连接，以免发生短路，损坏仪器。接，以免发生短路，损坏仪器。在设定各电压值时，必须在给定的量程或范在设定各电压值时，必须在给定的量程或范围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏仪器或不能准确显示。仪器或不能准确显示。 注意事项注意事项数据处理数据处理 根据手调“栅压调节”做出的IA-VG2K曲线和计算机显示所显示的曲线，求出各峰所对应的电压值，用逐差法求出氩原子第一激发电位，并与公认值VC0=11.5V伏比较，求出测量误差。 V2-V1 V1 V2 V3 V4 V5UGK0IAV3-V1V4-V1V5-V1 数据处理示意图思考与讨论思考与讨论7、在F-H管的I-U曲线上第一个峰的位置，是否对应于氩原子的第一激发电位？1、能否用氢气代替氩气？为什么?2、为什么I-U曲线不是从原点开始?3、为什么 I不会降到零?4、为什么I的下降不是陡然的?5、在F-H实验中，得到的I-U曲线为什么呈周期性变化？6、在F-H管内为什么要在板极和栅极之间加反向拒斥电压？
