2、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)2弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)背景

1914年德國(guó)科學(xué)家弗蘭克和赫茲在研究氣體放電中低能電子與原子相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，透過(guò)汞蒸汽的電子流隨電子的能量呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化。該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子內(nèi)部的能量是量子化的，為此1925年弗蘭克和赫茲共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。弗蘭克JamesFranck，1882—1964G.赫茲GustavHertz，1887—1975赫茲起初只是為了測(cè)量汞原子的電離電勢(shì)，并非為了證明玻爾的假設(shè)。在玻爾正苦思如何用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明自己怪異的原子理論時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了弗蘭克和赫茲的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)意識(shí)到弗蘭克和赫茲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與自己的理論預(yù)測(cè)有較大的差異，于是他撰文重新詮釋了弗蘭克和赫茲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果玻爾的解釋正確，那么弗蘭克和赫茲的實(shí)驗(yàn)地位將大大提高。有趣的是，弗蘭克和赫茲并不認(rèn)可玻爾的解釋，相反，他們還再次撰文重申自己的主張，直到1919年戴維斯等改進(jìn)了“弗蘭克-赫茲”的實(shí)驗(yàn)裝置，獲得了與玻爾預(yù)期一致的結(jié)果，歷時(shí)趣事二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)量氬原子的第一激發(fā)電位

原子只能處于一些分立的穩(wěn)定的能量狀態(tài)(簡(jiǎn)稱定態(tài)),它的能量不可能連續(xù)變化而只能是突變，即“躍遷”．原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)發(fā)射或吸收能量，輻射的頻率是一定的：電離∞EnEmE1第一激發(fā)態(tài)E0基態(tài)三、實(shí)驗(yàn)原理/2.1原子的能級(jí)原子在正常情況下處于基態(tài)，當(dāng)原子吸收電磁波或受到其它有足夠能量的粒子碰撞而交換能量時(shí)，可由基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需要的能量稱為臨界能量?！案ヌm克-赫茲”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想是利用慢電子與原子發(fā)生碰撞，通過(guò)收集發(fā)射電子在弗蘭克赫茲管后端形成的電流與加速電壓間的關(guān)系來(lái)探尋原子內(nèi)部規(guī)律。三、實(shí)驗(yàn)原理/2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理燈絲電壓VF：電壓越大，單位時(shí)間發(fā)射電子數(shù)越多。第一柵極電壓VG1：類似聚焦的作用，防止電子散射打到管壁上。第二柵極電壓VG1：給電子加速。拒斥電壓VP：給電子減速，防止電子過(guò)快，電流飽和。圖1弗蘭克赫茲管原理圖設(shè)氬原子的基態(tài)能量為E1

，第一激發(fā)態(tài)的能量為E2，從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量就是△E=

E2

-E1

。初速度為零的電子在電位差為V的加速電場(chǎng)作用下具有能量eV，若小于eV

<

E2

-E1時(shí)，則電子與氬原子只能發(fā)生彈性碰撞，二者之間幾乎沒(méi)有能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)電子的能量eV≥E2

-E1時(shí)，電子與氬原子就會(huì)發(fā)生非彈性碰撞，氬原子將從電子的能量中吸收相當(dāng)于E2

-E1的那份能量，使自己從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而多余的部分仍留給電子。設(shè)使電子具有能量E2

-E1所需加速電場(chǎng)的電位差為V0，則

eV0

=

E2

-E1

式中：V0為氬原子的第一激發(fā)電位，是本實(shí)驗(yàn)要測(cè)的物理量。當(dāng)電子的動(dòng)能小于原子的第一激發(fā)能級(jí)時(shí)，只發(fā)生彈性碰撞，當(dāng)電子的動(dòng)能大于原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子將一份能量交給原子，速度迅速下降，出現(xiàn)第一個(gè)峰谷，加速電壓繼續(xù)增加，直到VG2是2倍氬原子第一激發(fā)能級(jí)，出現(xiàn)第二個(gè)峰谷……三、實(shí)驗(yàn)原理/2.3譜峰曲線原理

這種能量轉(zhuǎn)移隨著加速電壓的增加而呈周期性的變化。。

為VG2橫坐標(biāo)，Ig為縱坐標(biāo)就可以得到譜峰曲線，兩相鄰谷點(diǎn)（或峰尖）間的加速電壓差值，即為氬原子的第一激發(fā)電位值四實(shí)驗(yàn)儀器/儀器面板

1、“自動(dòng)”對(duì)應(yīng)的VG2是內(nèi)部的鋸齒電壓，作用是急速電壓自動(dòng)變化。對(duì)應(yīng)于示波器觀測(cè)模式，調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)需要在自動(dòng)模式。

2、“手動(dòng)”對(duì)應(yīng)的VG2是直流電壓，電壓表顯示的是直流電壓。測(cè)量時(shí)需要選擇手動(dòng)模式。

3、“快速”“慢速”指的是VG2的頻率

4、電流選擇建議10nA”

5、四個(gè)電壓共用一個(gè)電壓表，所以對(duì)應(yīng)一個(gè)選擇旋鈕。調(diào)節(jié)電壓是選到響應(yīng)的位置。

電壓選擇鈕四實(shí)驗(yàn)儀器/實(shí)驗(yàn)觀察與參數(shù)調(diào)節(jié)1、燈絲電壓：部分儀器1.8V左右，部分儀器需要2.7V左右2、VG1：1.0~1.5V3、VP：8.0~11V實(shí)驗(yàn)步驟:第一步:VG2接CH1，IG接CH2，選到自動(dòng)擋，快速模式，調(diào)節(jié)VF，VG1，VF，示波器圖形如下圖。第二步:選到手動(dòng)擋，從小到大調(diào)節(jié)VG2，測(cè)出至少6個(gè)峰和6個(gè)谷。1、常見(jiàn)故障：

燈絲電壓電壓過(guò)高，后面幾個(gè)峰會(huì)飽和出現(xiàn)平頂。

處理：

減低燈絲電壓Vf增加拒電壓Vp峰值平頂四實(shí)驗(yàn)儀器/實(shí)驗(yàn)觀察與參數(shù)調(diào)節(jié)五數(shù)據(jù)處理要求1、畫(huà)出加速電壓和電路中電流之間的關(guān)系2、算出氬原子的第一激發(fā)電位5.2問(wèn)題討論5.1數(shù)據(jù)處理要求

在實(shí)際測(cè)量中，第一個(gè)峰和第二個(gè)峰間距在