弗兰克赫兹实验(教育精品)

山西大学物理实验中心,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,夫兰克,-,赫兹实验,历史背景及意义,1911,年，卢瑟福根据,粒子散射实验，提出了原子核模型。,1913,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（,E.J.Evans,）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实验方法的验证。随后，在,1914,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,(,与光谱研究相独立,),，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，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。,1925,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（,1926,年于德国洛丁根补发）。夫兰克,-,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，仍把它作为传统的经典实验。,(,JAMES FRANCK,),(GUSTAV HERTZ),1.,实验目的：验证原子能量的量子化。,2.,实验原理（结合装置介绍）：,一,.,第一激发电势的测定,原子内部能量量子化证据,:,(1),原子光谱分立性,;,(2),夫兰克,-,赫兹实验,K,：热阴极，发射电子,KG,区：电子加速，与,Hg,原子碰撞,GA,区：电子减速，能量大于,0.5,eV,的电子可克服反向偏压，产生电流,夫兰克,-,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.,实验结果,非弹性碰撞，电子损失能量，激发,Hg,原子,弹性碰撞，电子几乎不损失能量,电子经过 次加速和非弹性碰撞，能量全部损失，电流最小。,理论解释：,4.,结果讨论,汞原子从基态到第一激发态的,激发电势,为,4.9V,，则,第一激发能,(Excited Energy),为,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,二,.,较高激发电势的测定,K,：旁热式热阴极，均匀发射电子，提高能量测量精度,KG,1,区：电子加速,G,1,G,2,区：电子与原子碰撞,G,2,A,区：电子减速,1920,年,Hertz,测得,4.9,eV,以上的高激发能,Franck,改进实验装置,1924,年，,1.,实验装置及实验原理,2,.,实验结果（见,P,45,图,2.12,）,夫兰克,-,赫兹实验装置,三,.,电离电势的测定,电离：,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。,电离电势：,从中性的原子把一个电子电离出去需要的电压。,1.,实验装置及原理,K,，,K,1,：发射电子的热阴极,G,：圆柱形金属网；,A,：圆柱形阳极，,G,，,A,同电位。,G,1,:,金属网,实验装置,氩管夫兰克,赫兹管,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,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,。,A,V,V,G1K,K,V,G2K,G,1,V,G2A,G,2,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,E,0,，第一激发态的能量为,E,1,，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,eV,E,1,-E,0,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,eVE,1,-E,0,=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=,eV,C,。相应的电位差,V,C,即为氖原子的第一激发电位。,在实验中，逐渐增加,V,G2K,，由电流计读出板极电流,I,A,，得到如下图所示的变化曲线,.,图,2-2-4,夫兰克,赫兹管的,I,A,V,G2K,曲线,o,I,A,a,c,b,d,e,V,1,V,2,V,3,V,4,V,5,V,6,(,nA,),V,G2K,o,实验内容及操作步骤,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,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。,注意事项,数据处理,根据手调“栅压调节”做出的,I,A,-V,G2K,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,V,C0,=11.5V,伏比较，求出测量误差。,V,2,-V,1,V,1,V,2,V,3,V,4,V,5,U,GK,0,I,A,V,3,-V,1,V,4,-V,1,V,5,-V,1,数据处理示意图,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？,