弗蘭克赫茲FranckHertz實(shí)驗(yàn).ppt

2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,1,龐文寧報(bào)告箱號(hào)：J11pangwn,弗蘭克-赫茲(Franck-Hertz)實(shí)驗(yàn),X-37空天飛機(jī),2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,2,弗蘭克-赫茲(Franck-Hertz)實(shí)驗(yàn),一、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法二、實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)概念及物理圖像三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、任?wù)四、實(shí)驗(yàn)儀器、步驟、注意事項(xiàng)五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及數(shù)據(jù)處理要求,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,3,一、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,4,玻爾提出原子結(jié)構(gòu)的量子理論后，1914年，弗蘭克(JFranck)和赫茲(GHertz)用慢電子轟擊稀薄氣體原子(Hg)，做原子電離電位測(cè)定時(shí)，發(fā)現(xiàn)了原子的激發(fā)能態(tài)和量子化的吸收現(xiàn)象，并觀察到原子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)輻射出的光譜線，從而直接證明了玻爾原子結(jié)構(gòu)的量子理論，為此他們獲得了1925年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。,1925,弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)是完全不同于光譜實(shí)驗(yàn)，是從另一個(gè)角度來(lái)證明原子存在分立能級(jí),并能測(cè)量出原子一些能級(jí)。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,5,玻爾原子模型,1913年,二、實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)概念及物理圖像,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,6,1、以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的原子的核式結(jié)構(gòu)模型；2、光譜的實(shí)驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律；3、從黑體輻射的事實(shí)發(fā)展出來(lái)的量子論。,定態(tài)假設(shè)頻率規(guī)則,玻爾理論基于的三個(gè)物理學(xué)基礎(chǔ),玻爾研究原子結(jié)構(gòu)，提出原子理論兩個(gè)基本假設(shè)：,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,7,波爾1885年生于哥本哈根，1941年在哥本哈根大學(xué)畢業(yè)，獲博士學(xué)位。1961年任哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)教授，1962年起擔(dān)任哥本哈根大學(xué)理論物理研究所所長(zhǎng)。曾任丹麥皇家科學(xué)院院長(zhǎng)和原子能委員會(huì)主席、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、法國(guó)科學(xué)院院士。玻爾是量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，哥本哈根學(xué)派領(lǐng)袖?？茖W(xué)活動(dòng)：發(fā)展原子、分子和原子的量子理論方面。他把經(jīng)典力學(xué)和量子理論結(jié)合起來(lái)，從而引起原子理論的革命，對(duì)量子力學(xué)建立起了重要作用，1922年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。主要著作:1922年出版光譜與原子結(jié)構(gòu)理論、1934年出版原子理論與自然界描述、1955年出版知識(shí)統(tǒng)一性等。,1922,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,8,關(guān)于軌道能量量子化的概念原子處于特定條件所限定的幾個(gè)能態(tài),定態(tài)(stationarystates)所有允許能態(tài)的統(tǒng)稱。電子只在確定半徑和能量的定態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng),不輻射能量。,基態(tài)(groundstate)主量子數(shù)n=1的定態(tài)，也稱為基態(tài)?；鶓B(tài)是能量最低即最穩(wěn)定的狀態(tài)。,激發(fā)態(tài)(excitedstates)除基態(tài)以外的其余定態(tài)。各激發(fā)態(tài)的能量隨n值增大而增高。電子只有從外部吸收足夠能量時(shí)才能到達(dá)激發(fā)態(tài)。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,9,9,9,原子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的關(guān)系,基態(tài)原子,激發(fā)態(tài)原子,吸收能量,釋放能量,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,10,氬原子(Z=18)的基態(tài)電子組態(tài)標(biāo)示為,ArI1s22s22p63s23p61S0,Ionizationenergy127109.842cm-1(15.759610eV),氬原子第一激發(fā)態(tài)電勢(shì)是多少？,光譜數(shù)據(jù)：11.55eV理論計(jì)算：13.08eV,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,11,NISTPhysicsLaboratoryBasicAtomicSpectroscopicData,/physlab/data/handbook/index.cfm,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,12,氬原子(4s),ArI1s22s22p63s23p61S0,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,13,ArI1s22s22p63s23p61S0,基態(tài),激發(fā)態(tài),亞穩(wěn)態(tài),亞穩(wěn)態(tài),激發(fā)態(tài),3p54s,可能的激發(fā)和退激發(fā)途徑,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,14,EnergyLevelsofNeutralArgon(ArI),11.55eV11.63eV11.72eV11.83eV,11.68eV,13.21eV,12.91eV13.27eV13.08eV13.10eV13.15eV13.17eV13.28eV13.30eV13.33eV13.48eV,系數(shù)1240,Ug=12.45eV,簡(jiǎn)單疊加,簡(jiǎn)單疊加,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,15,碰撞前后速度不變，表現(xiàn)為“彈性碰撞”,物理圖像,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,16,物理圖像,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,17,實(shí)驗(yàn)中采用一定入射能量的電子與Ar原子碰撞,2020/5/20,17,控制柵極G1與加速柵極G2之間的加速電壓UA使電子加速。在收集極R和加速柵極G2之間設(shè)置減速電壓UR。,注意：第一柵極和陰極之間的加速電壓約1.5伏，消除陰極電子散射的影響。,電子由陰極K發(fā)出，陰極K和控制柵極G1之間的加速電壓UG,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,18,弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙之處在收集極A與減速柵極G2之間加了一個(gè)小而穩(wěn)定的拒斥(減速)電壓UR，可篩去能量小于的電子，從而能檢測(cè)出入射電子在非彈性碰撞過(guò)程中能量損失的情況。,調(diào)節(jié)UF，固定UG=1eV、UR=10eV,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,19,三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、任?wù),1.通過(guò)對(duì)氬原子第一激發(fā)態(tài)電位的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，了解弗蘭克赫茲研究原子能級(jí)(量子化)的基本思想和方法；,2.了解電子與原子碰撞和能量交換過(guò)程的微觀圖像，以及影響這個(gè)過(guò)程的主要物理因素，學(xué)習(xí)用實(shí)驗(yàn)研究的方法來(lái)檢驗(yàn)物理假說(shuō)和驗(yàn)證理論的方法；,任務(wù)：Ua控制在0-90V范圍內(nèi)，測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位。Ip-收集電流，至少觀測(cè)到6個(gè)峰。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,20,K,G2,A,本實(shí)驗(yàn)的任務(wù):就是要測(cè)出下面這條IAUA曲線，并由此確定出氬原子的第一激發(fā)電位。,UA,IA,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,21,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,22,四、實(shí)驗(yàn)儀器、步驟、注意事項(xiàng),F-H管,UF,UG,UR穩(wěn)壓電源,UA掃描電源,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,23,F-H管,采用雙柵極結(jié)構(gòu)的柱面型四極管管內(nèi)充有氬氣,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,24,實(shí)驗(yàn)步驟,熟悉實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和使用方法,按照實(shí)驗(yàn)要求連接實(shí)驗(yàn)線路，檢查無(wú)誤后開(kāi)電源。,注意微安表，切勿打表,掃描電源Ua有兩種工作模式,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,25,開(kāi)關(guān)撥至手動(dòng)調(diào)節(jié)檔,手動(dòng)模式設(shè)定穩(wěn)壓電源的各電壓值。先探索最佳實(shí)驗(yàn)條件，觀測(cè)收集電流IP隨掃描電壓UA變化規(guī)律并記錄分析。,使UA在0-90V內(nèi)增加，IP在表頭指示050A(微電流放大器10-8A)之間變化，且有明顯的峰谷，峰個(gè)數(shù)不少于6個(gè)。注意燈絲電壓UF對(duì)IP的變化影響極大，但時(shí)間上反應(yīng)滯后，須仔細(xì)調(diào)整并確使UF3V。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,26,計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)UA模式,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每改變Ua的電壓值，F(xiàn)-H管的收集極電流值隨之改變。,開(kāi)關(guān)撥至慢掃檔,UA上限電壓設(shè)置接近90V，IP在表頭指示接近50A。注意：關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)燈絲電壓UF、控制柵電壓UG和拒斥電壓UR。,手動(dòng)調(diào)節(jié)回零,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,28,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,30,實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng),1、F-H管的電壓值須按照給定值進(jìn)行設(shè)置;UA設(shè)定終止值不要超過(guò)90V;手動(dòng)測(cè)試完畢后，盡快將UA減為零。,2、長(zhǎng)時(shí)間處于電離狀態(tài)，會(huì)造成F-H管損壞或性能變差，使用中應(yīng)注意。測(cè)量中，逐步增加加速電壓時(shí)，電流表指針應(yīng)出現(xiàn)最大，最小擺動(dòng)的電流信號(hào)。若發(fā)出電流表指針突然超出量程(打表現(xiàn)象)，說(shuō)明管子中有電離，應(yīng)立即減小加速電壓，并將燈絲電壓減小。,3、經(jīng)過(guò)一段實(shí)驗(yàn)時(shí)間后，F(xiàn)-H管的工作條件可能與原先提供的參考數(shù)值有偏離，應(yīng)重新調(diào)整燈絲電壓。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,31,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,31,謝謝,切勿產(chǎn)生浮躁情緒,上課時(shí)間：下午1:30-4:50晚上6:30-9:50,五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及數(shù)據(jù)處理要求,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,32,五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及數(shù)據(jù)處理要求,實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求,1)拒收電子版；2)數(shù)據(jù)處理過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,33,實(shí)驗(yàn)報(bào)告(寫(xiě)科學(xué)論文的前奏),實(shí)驗(yàn)報(bào)告是寫(xiě)給同行看的，所以必須充分反映自己的工作收獲和結(jié)果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有條理性，并注意運(yùn)用科學(xué)術(shù)語(yǔ)，一定要有實(shí)驗(yàn)的結(jié)論和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論、分析或評(píng)估。實(shí)驗(yàn)原理要簡(jiǎn)明扼要，要有必要的電或光路圖，要有主要的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，一定要列出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,34,數(shù)據(jù)處理要求,使用兩種方法:1)逐差法；2)最小二乘法,單位：伏(V)；保留兩位小數(shù),2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,35,1)逐差法,2)最小二乘法,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,36,UA,接觸電位差和空間電流對(duì)IA-UA曲線存在影響,實(shí)驗(yàn)中，隨加速柵極電壓UA逐漸增加，并觀察微電流計(jì)的電流指示。如果原子能級(jí)確實(shí)存在，而且基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間有確定的能量差，就能觀察到如圖所示的IA-UA關(guān)系曲線。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,37,UA,O-A-B段：隨之加速場(chǎng)電壓UA的開(kāi)始升高，IA隨之逐漸升高，表征絕大部分電子與氬原子作彈性碰撞(無(wú)能量交換)，并克服拒斥(減速)電壓UR到達(dá)收集極A。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,38,UA,B-C段：當(dāng)電壓UA等于或稍大于氬原子第一激發(fā)電位時(shí)，發(fā)生非彈性碰撞，即氬原子吸收能量從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而入射電子將失去全部或絕大部分能量，從而不能穿過(guò)拒斥場(chǎng)到達(dá)收集極，因此收集極的電流IA急劇下降。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,39,UA,C-D段：繼續(xù)增加UA,電子在與氬原子碰撞后,還能被加速到足夠的能量，克服拒斥場(chǎng)的阻力而到達(dá)收集極A，這時(shí)收集極的電流IA又開(kāi)始上升。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,40,UA,D-E段：繼續(xù)增加UA二倍于氬原子的第一激發(fā)電位(2Ug)時(shí)，又會(huì)因第二次非彈性碰撞而失去能量，并且受到拒斥場(chǎng)的阻擋而不能到收集極A，因此收集極的電流IA再度急劇下降。,2020/5/20,Dr.Prof.W.N.Pang,41,UA,同理，隨UA增加，電子會(huì)與氬原子發(fā)生第三次、第四次非彈性碰撞，因而收集極電流IA就會(huì)相應(yīng)下跌，形成具有規(guī)則起伏的IAUA曲線(如