3-14夫兰克-赫兹实验doc

3章 基础实验

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实验3.14 夫兰克-赫兹实验

1914年，弗兰克（Franck.J.1882-1964）和赫兹在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持4.9eV，即汞原子只接收4.9eV的能量。

这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。由于他们的工作对原子物理学的发展起了重要作用，因此共同获得了1925年的诺贝尔物理学奖。

在本实验中可观测到电子与汞蒸汽原子碰撞时的能量转移的量子化现象，测量汞原子的第一激发电位，从而加深对原子能级概念的理解。 【实验目的】

1．通过测量氩原子的第一激发电位，证明原子内部量子化能级的存在。 2．了解在研究原子内部能量量子化问题时所使用的基本方法。

3．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。

【实验仪器】

FH-ⅢB型夫兰克-赫兹实验仪、双踪示波器。 仪器面板说明如图3-61所示。

图3-61 仪器面板示意图

1．电流显示：显示电流IA（相应的倍率A）

2．电压显示：显示UH、UG1K、UG2A各电压值（V） 3．电压显示：显示UG2K、USCAN各电压值（V）（手动与自动）

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4．夫兰克-赫兹管实验电路图：夫兰克-赫兹管实验电路图 5．电源输出端：仪器电源输出插孔

6．阳极电流测量倍率转换：微电流倍率选择（10-6～10-9A）

7．示波器接口X、Y输出：连接示波器的CH1.CH2通道电压显示换档切换开关 8．测量方式转换：手动挡测量与自动挡进行示波器观察波形调节旋钮 9．各电源电压调节旋钮：UH、UG1K、UG2A、UG2K、USCAN调节旋钮 10．电压测量转换：UH、UG1K、UG2A电压测量转换 11．电压测量转换：UG2K、USCAN电压测量转换 夫兰克-赫兹管供电电压 UG1K DC 0～5.0V UG2A（拒斥电压） DC 0～15.0V UG2K （加速电压） 点测法：DC 0～100.0V 用示波器观察时锯齿波电压：0～50V UH（灯丝电压） DC 0～3.5V 【实验原理】

玻尔原子理论的两个基本假设为：（1）原子只能较长久地停留在一些稳定状态，简称“定态”，原子处于这些状态时不发射也不吸收能量，各定态的能量是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态；（2）原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射能量时，辐射的频率是一定的。如果用Em和En代表有关二定态的能量，辐射的频率决定于如下关系 hEmEn

式中h为普朗克常量。

原子状态的改变，通常发生于原子本身吸收或发射电磁辐射，以及原子与其他粒子发生碰撞而交换能量这两种情况。能够控制原子所处状态的最方便的方法是用电子轰击原子，电子的动能可通过改变加速电位的方法加以调节。

电子被加速后获得能量eU，e是电子电量，U是加速电压。当U值小时，电子与原子只能发生弹性碰撞；当电位差为Ug时，电子具有的能量eU恰好使原子从正常状态跃迁到第一激发状态，Ug就称为第一激发电位。继续增加电位差U时，电子的能量就逐渐上升到足以使原子跃迁到更高的激发态（第二，第三……），最后电位差达到某一值Ui时，电子的能量刚足以使原子电离，Ui就称为电离电位。

实验仪所用的夫兰克-赫兹管是一只充氩气的四极管，各电极的符号、引出线及各电压的关系如图3-62所示：灯丝H加热K使其发射电子，G1控制通过G1的电子数目，G2加速电子，G1.G2空间较大，提供足够的碰撞概率，A接收电子，AG2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达。

第一栅压（G1）与阴极（K）之间加上约图3-62 弗兰克赫兹实验原理图

第

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1.5V～2V的电压，其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响。

给灯丝（H）加热时，阴极的氧化层即发射电子，在UG2K间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压UG2K较低，电子的能量较小，即使在运动过程中它与原子相碰撞（为弹性碰撞），也只有微小的能量较换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的极流IA将随UG2K的增加而增大（见图3-63中OA段）。

当UG2K达到氩原子的第一激发电位时，电子在第二栅极附近与氩原子碰撞（此时产生非弹性碰撞），电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氩原子，使氩原子从基态激发到第一激发态，而电子本身由于把全部能量传递给了氩原子，所以电子即使能穿过第二栅极，也不能完全克服反向拒斥电场而部分被拆回第二栅极。所以板极电流IA将显著减小（如图3-63的AB段），以后随着第二栅极电压UG2K的增加，电子的能量也随之增加，电子与氩原子相碰撞后还留下足够能量，这就可以克服拒斥电场的作用力而到达板极A，这时电流又开始上升（如图3-63的BC段），直到UG2K是氩原子的第一激发电位的2倍时，电子在G2K间又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，因而造成第二次板极电流的IA下降（如图3-63的CD段），这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。

图3-63

若以UG2K为横坐标，以板极电流IA为纵坐标就可以得到相应的谱峰曲线，两相邻谷点（或峰尖）间的加速电压差值，即为氩原子的第一激发电位值Ug。

这个实验说明了夫兰克-赫兹管内的缓慢电子与氩原子碰撞，使原子从低能级被激发到高能级，通过测量氩的第一激发电位值，证明波尔-原子能级的存在。

【实验内容及步骤】

测绘F-H管IA～UG2K曲线，确定氩原子的第一激发电位。 1．实验前将所有旋钮逆时针旋到底。

2．将仪器面板上的“电源输出端”输出插孔和“夫兰克-赫兹管功能端”输入插孔按照电路图接好。

3．插上电源，将电源开关置于“ON”位置，数字表发光，表明电源已接通，将仪器预热5分钟。

4．将“手动-自动”开关置于“手动”挡，逆时针将“扫描调节”旋钮旋到底。

5．将“UH、UG1K、UG2A电压测量转换开关”置“UH”挡，使UH指示2.8V（即灯丝电压UH为2.8V左右）。

6．将“UH、UG1K、UG2A电压测量转换开关”置“UG1K”档，使UG1K指示2.0V（即第

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一栅极电压UG1K为2.0V左右）。

7．将“UH、UG1K、UG2A电压测量转换开关”置“UG2A”档，使UG2A指示6.5V（阳极至第二栅极拒斥电压UG2A为6.5V左右）。

8．将“电压显示切换”开关置于“UG2K”档，调节“UG2K”旋钮，使电压表显示0.0V，即阴极至第二栅极电压UG2K（加速电压）为0V（手动方式建议采用的各电压值：UH：2.8V，UG1K：2V，UG2A：6.5V）。

9．缓慢调节“UG2K”旋钮，同时观察电流表指示数值的变化。随着UG2K（加速电压）的增加，电流表的指示值出现周期性的峰值和谷值（倍率从109开始做起，当电流表数值溢出时，切换到下一倍率档）。记录相应的电压值（UG2K）和电流值（IA），作出以电压（UG2K）为横坐标，电流（IA）为纵坐标的谱峰曲线。电流表指示的数值单位为安培，乘以倍率之后才是电流IA的值。

10．适当改变灯丝电压，重复上述操作，记录相应数据，进行数据处理（描绘谱峰数不少于5个）。

11．进行自动测量时，需将“手动-自动”开关置于“自动”档，同时将“UG2K”旋钮逆时针旋到底，将“倍率转换”置于“108”档，并将“USCAN”扫描调节旋钮逆时针旋到底。将面板上的‘X输出’接到示波器的过大，引起放大器失真，应该立即减小灯丝电压UH。（自动方式建议采用的各电压值：UH：3.2V，UG1K：“H1”通道上，再将面板上的“Y输出”接到示波器的“CH2”通道上，将示波器置“X-Y”方式，顺时针调节“USCAN”扫描调节旋钮，观察示波器上出现的相应的谱线，如果发现波形上端切顶，则表明阳极电流2V，UG2A：6.5V）。 【思考讨论】

1．记录的IA～UGK曲线为什么呈现周期性变化？

2．取不同的灯丝电压时，IA～UGK曲线有何变化？为什么？ 3．举出实验误差产生的诸因素。

4．实验中用什么方法使原子向高能级跃迁？ 5．原子第一激发电位的含义是什么？

6．实验中所测量的板极电流是怎样形成的？ 7．拒斥电压的大小对IA～UGK曲线有何影响？