弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验.ppt

2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,1,庞文宁 报告箱号：J11 pangwn,弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验,X-37空天飞机,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,2,弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验,一、弗兰克-赫兹实验的实验方法 二、实验中的重点概念及物理图像 三、实验目的、任务 四、实验仪器、步骤、注意事项 五、实验报告及数据处理要求,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,3,一、弗兰克-赫兹实验的实验方法,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,4,玻尔提出原子结构的量子理论后， 1914年，弗兰克(JFranck)和赫兹(GHertz) 用慢电子轰击稀薄气体原子(Hg)，做原子电离电位测定时，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1925年的诺贝尔物理奖。,1925,弗兰克-赫兹实验是完全不同于光谱实验，是从另一个角度来证明原子存在分立能级,并能测量出原子一些能级。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,5,玻尔原子模型,1913年,二、实验中的重点概念及物理图像,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,6,1、以实验为基础的原子 的核式结构模型； 2、光谱的实验资料和经 验规律； 3、从黑体辐射的事实发 展出来的量子论。, 定态假设 频率规则,玻尔理论基于的三个物理学基础,玻尔 研究原子结构，提出原子理论两个基本假设：,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,7,波尔1885年生于哥本哈根，1941年在哥本哈根大学毕业，获博士学位。1961年任哥本哈根大学理论物理学教授，1962年起担任哥本哈根大学理论物理研究所所长。曾任丹麦皇家科学院院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。 科学活动：发展原子、分子和原子的量子理论方面。他把经典力学和量子理论结合起来，从而引起原子理论的革命，对量子力学建立起了重要作用，1922年获诺贝尔物理学奖。 主要著作:1922年出版光谱与原子结构理论、1934年出版原子理论与自然界描述 、1955年出版知识统一性等。,1922,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,8,关于轨道能量量子化的概念 原子处于特定条件所限定的几个能态,定态(stationary states) 所有允许能态的统称。电子只在确定半径和能量的定态轨道上运动, 不辐射能量。,基态(ground state) 主量子数n = 1 的定态，也称为基态。基态是能量最低即最稳定的状态。,激发态(excited states) 除基态以外的其余定态。 各激发态的能量随 n 值增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,9,9,9,原子的基态与激发态之间的关系,基态原子,激发态原子,吸收能量,释放能量,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,10,氩原子(Z=18)的基态电子组态标示为,Ar I 1s22s22p63s23p6 1S0,Ionization energy 127109.842 cm-1 (15.759610 eV),氩原子第一激发态电势是多少？,光谱数据：11.55eV 理论计算：13.08eV,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,11,NIST Physics Laboratory Basic Atomic Spectroscopic Data,http:/www.nist.gov/physlab/data/handbook/index.cfm,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,12,氩原子(4s),Ar I 1s22s22p63s23p6 1S0,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,13,Ar I 1s22s22p63s23p6 1S0,基态,激发态,亚稳态,亚稳态,激发态,3p54s,可能的激发和退激发途径,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,14,Energy Levels of Neutral Argon ( Ar I ),11.55eV 11.63eV 11.72eV 11.83eV,11.68eV,13.21eV,12.91eV 13.27eV 13.08eV 13.10eV 13.15eV 13.17eV 13.28eV 13.30eV 13.33eV 13.48eV,系数1240,Ug = 12.45eV,简单叠加,简单叠加,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,15,碰撞前后速度不变，表现为“弹性碰撞”,物理图像,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,16,物理图像,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,17,实验中采用一定入射能量的电子与Ar原子碰撞,2019/12/1,17,控制栅极G1与加速栅极G2之间的加速电压UA使电子加速。 在收集极R和加速栅极G2之间设置减速电压UR。,注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏，消除阴极电子散射的影响。,电子由阴极K发出，阴极K和控制栅极G1之间的加速电压UG,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,18,弗兰克赫兹实验设计的巧妙之处 在收集极A与减速栅极G2之间加了一个小而稳定的拒斥(减速)电压UR，可筛去能量小于 的电子，从而能检测出入射电子在非弹性碰撞过程中能量损失的情况。,调节UF ，固定UG =1eV、 UR =10eV,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,19,三、实验目的、任务,1.通过对氩原子第一激发态电位的测量实验，了解弗兰克赫兹研究原子能级(量子化)的基本思想和方法；,2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像，以及影响这个过程的主要物理因素，学习用实验研究的方法来检验物理假说和验证理论的方法；,任务： Ua 控制在0-90V范围内，测定氩原子的第一激发电位。 Ip-收集电流，至少观测到6个峰。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,20,K,G2,A,本实验的任务:就是要测出下面这条IAUA曲线， 并由此确定出氩原子的第一激发电位。,UA,IA,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,21,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,22,四、实验仪器、步骤、注意事项,F-H管,UF ,UG , UR 稳压电源,UA扫描电源,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,23,F-H管,采用双栅极结构的柱面型四极管 管内充有氩气,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,24,实验步骤,熟悉实验装置结构和使用方法,按照实验要求连接实验线路，检查无误后开电源。,注意微安表，切勿打表,扫描电源Ua有两种工作模式,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,25,开关拨至手动调节档,手动模式 设定稳压电源的各电压值。先探索最佳实验条件，观测收集电流IP 随扫描电压 UA 变化规律并记录分析。,使UA在0-90V内增加，IP在表头指示050A(微电流放大器10-8A)之间变化，且有明显的峰谷，峰个数不少于6个。注意灯丝电压UF对IP的变化影响极大，但时间上反应滞后，须仔细调整并确使UF3V。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,26,计算机自动调节UA 模式, 实验过程中每改变 Ua 的电压值，F-H管的收集极电流值随之改变。,开关拨至慢扫档,UA上限电压设置接近90V，IP在表头指示接近50A。 注意：关联调节灯丝电压UF、控制栅电压UG和拒斥电压UR。,手动调节回零,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,28,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,30,实验注意事项,1、F-H管的电压值须按照给定值进行设置;UA设定终止值不要超过90V;手动测试完毕后，尽快将UA减为零。,2、长时间处于电离状态，会造成F-H管损坏或性能变差，使用中应注意。测量中，逐步增加加速电压时，电流表指针应出现最大，最小摆动的电流信号。若发出电流表指针突然超出量程(打表现象)，说明管子中有电离，应立即减小加速电压，并将灯丝电压减小。,3、经过一段实验时间后，F-H管的工作条件可能与原先提供的参考数值有偏离，应重新调整灯丝电压。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,31,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,31,谢 谢,切勿产生浮躁情绪,上课时间：下午1:30-4:50 晚上6:30-9:50,五、实验报告及数据处理要求,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,32,五、实验报告及数据处理要求,实验报告要求,1)拒收电子版； 2)数据处理过程严谨。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,33,实验报告(写科学论文的前奏),实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。 实验原理要简明扼要，要有必要的电或光路图，要有主要的数据处理过程，一定要列出实验结果。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,34,数据处理要求,使用两种方法: 1)逐差法； 2)最小二乘法,单位：伏(V)；保留两位小数,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,35,1)逐差法,2)最小二乘法,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,36,UA,接触电位差和空间电流对IA - UA 曲线存在影响,实验中，随加速栅极电压 UA逐渐增加，并观察微电流计的电流指示。如果原子能级确实存在，而且基态与第一激发态之间有确定的能量差，就能观察到如图所示的IA - UA 关系曲线。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,37,UA,O-A-B段： 随之加速场电压UA的开始升高，IA随之逐渐升高，表征绝大部分电子与氩原子作弹性碰撞(无能量交换)，并克服拒斥(减速)电压UR到达收集极A。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,38,UA,B-C段： 当电压UA等于或稍大于氩原子第一激发电位时，发生非弹性碰撞，即氩原子吸收能量从基态跃迁到第一激发态，而入射电子将失去全部或绝大部分能量，从而不能穿过拒斥场到达收集极，因此收集极的电流IA急剧下降。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,39,UA,C-D段： 继续增加UA ,电子在与氩原子碰撞后,还能被加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而到达收集极A，这时收集极的电流IA又开始上升。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,40,UA,D-E段： 继续增加UA 二倍于氩原子的第一激发电位(2Ug)时，又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到收集极A，因此收集极的电流IA再度急剧下降。,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,41,UA,同理，随UA增加，电子会与氩原子发生第三次、第四次非弹性碰撞，因而收集极电流IA就会相应下跌，形成具有规则起伏的IAUA曲线(如图)。两峰间的电位差等于氩原子的第一激发电位Ug。,（n=1,2,6）,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,42,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,42,谢 谢,切勿产生浮躁情绪,上课时间：下午1:30-4:50 晚上6:30-9:50,2019/12/1,Dr. Prof. W.N.Pang,43,43,基础科学研究,目前根本看不出有什么具体用途，研究成果也无法直接转化成生产力，切勿产生浮躁的情绪。,普遍存在于社会的浮躁情绪，是人才培养过程中的最大敌人。,