杭州电子科技大学：《大学物理》课程实验指导（近代物理）实验06 夫兰克-赫兹实验.pdf_大学文库

近代物理实验一一物理实验教学中心实验06夫兰克-赫兹实验引吉在原子物理学的发展中，丹麦物理学家玻尔(N.Bor)因为在1913年发表了原子模型理论而获得了1922年度诺贝尔物理学奖。在玻尔发表原子模型理论的第二年，德国科学家夫兰克.Franck)和赫兹(G.hert)用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级。他们对电子与原子碰撞时能量交换的研究所发现的规律性，直接证明了原子能级的存在，即原子能量的量子化现象。后来他们又在同样的实验中测得被慢电子激发的原子返回基态时辐射的光频率，发现这种辐射服从玻尔假设的频率定则。夫兰克和赫兹的实验成为玻尔理论的一个重要实验依据，他们也因此获得了1925年度诺贝尔物理学奖。这就是原子物理学上著名的“夫兰克赫兹”实验。实验目的】测定氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，研究原子能量的量子化现象 2学习测定原子激发电势的方法实验原理 1玻尔原子理论的要点原子系统只能处于一系列具有分布且确定量值的稳定状态，即原子系统的定态，其相应的能量分别为E、E2、E3,.,原子从一个定态过渡到另一个定态称为跃迁，跃迁时原子吸收或辐射一定的能量： △E=hm=Em-En 式中h为普朗克常数，y为辐射频率 2原子的跃迁、激发电势和能级差原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受其他粒子碰撞而发生能量交换时，可由基态跃迁到能量较高的激发态，所需的能量称为临界能量。电子与原子碰撞时，如果电子动能小于临界能量，可视为两个质量相差悬殊的物体间发生的弹性碰撞，电子没有能量损失。如果电子动能大于临界能量，则碰撞过程中电子将转移给原子跃迁所需的临界能量，其余能量仍由电子保留，此种碰撞为非弹性碰撞。初速度为0的电子在电势差为Uo的加速电场的作用下，获得能量Uo,当具有这种能量的电子与稀薄气体（如氩）的原子碰撞时就会发生能量交换，氩原子获得能量由基态跃迁到第一激发态，其获得的能量为： △E=E2-E=eUo 式中，E为基态能量，E2为第一激发态能量，△E称为第一能级差，电势差U0称为氢原子的第一激发电势。测定U0,就能得到氩原子系统的基态和第一激发态之间的能量差，也叫能级差。由此

近代物理实验 —— 物理实验教学中心实验 06 夫兰克-赫兹实验引言在原子物理学的发展中，丹麦物理学家玻尔（N.Bohr）因为在 1913 年发表了原子模型理论而获得了 1922 年度诺贝尔物理学奖。在玻尔发表原子模型理论的第二年，德国科学家夫兰克(J.Franck)和赫兹（G.hertz）用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级。他们对电子与原子碰撞时能量交换的研究所发现的规律性，直接证明了原子能级的存在，即原子能量的量子化现象。后来他们又在同样的实验中测得被慢电子激发的原子返回基态时辐射的光频率，发现这种辐射服从玻尔假设的频率定则。夫兰克和赫兹的实验成为玻尔理论的一个重要实验依据，他们也因此获得了 1925 年度诺贝尔物理学奖。这就是原子物理学上著名的“夫兰克-赫兹”实验。实验目的 1 测定氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，研究原子能量的量子化现象 2 学习测定原子激发电势的方法实验原理 1 玻尔原子理论的要点原子系统只能处于一系列具有分布且确定量值的稳定状态，即原子系统的定态，其相应的能量分别为、、 ,.，原子从一个定态过渡到另一个定态称为跃迁，跃迁时原子吸收或辐射一定的能量： E1 E2 E3    Eh E E  m n 式中 h 为普朗克常数， 为辐射频率 2 原子的跃迁、激发电势和能级差原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受其他粒子碰撞而发生能量交换时，可由基态跃迁到能量较高的激发态，所需的能量称为临界能量。电子与原子碰撞时，如果电子动能小于临界能量，可视为两个质量相差悬殊的物体间发生的弹性碰撞，电子没有能量损失。如果电子动能大于临界能量，则碰撞过程中电子将转移给原子跃迁所需的临界能量，其余能量仍由电子保留，此种碰撞为非弹性碰撞。初速度为0的电子在电势差为的加速电场的作用下，获得能量，当具有这种能量的电子与稀薄气体（如氩）的原子碰撞时就会发生能量交换，氩原子获得能量由基态跃迁到第一激发态，其获得的能量为： U0 0 eU    E E E eU 2 1 0 式中， E1为基态能量，为第一激发态能量， E2 E 称为第一能级差，电势差称为氩原子的第一激发电势。 U0 测定U0 ，就能得到氩原子系统的基态和第一激发态之间的能量差，也叫能级差。由此

近代物理实验一一物理实验教学中心 3对曲线的解释 1)当灯丝加热时，阴极K的氧化层即发射电子，在G2K间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但在起始阶段，由于电压G2x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）只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的极流IA管内将随第二极电压G2x的增加而增大（见图3中的o 段)。 2)当G2x达到氩原子的第一激发电压时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞（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氯原子，使氯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氩原子，它即使能穿过第二栅极，也不能克服反向拒斥电场，因而被折回第二桶极。所以，此时极板电流I 将显著减小（见图3中的b段）。原子处于激发态是不稳定的，在实验中被电子轰击到第一激发态的原子要跃迁回基态。 3)随着第二栅极电压G2x的增加，电子能量也随着增加，与氩原子相碰后还留下足够的能量。这就可以克服拒斥电场的作用力而达到极板A,这时极板电流I4又开始上升(bc段)。 4)直到G2x是氩原子第1激发电压的2倍时，电子在G2K之间又会因为第2次非弹性碰撞而失去能量，因而又造成第2次板极电流的下降(cd段)。可见，阳极电流I4随者加速电压2x的增加而呈现周期性变化，两相邻谷点（或峰点）》之间的加速电压差值，就是氩原子的第一激发电位值，由此可得出氩原子的第一激发电势。这个实验利用夫兰克赫兹管内的缓慢电子与氩原子碰撞，通过测量氩的第一激发电位，证明了玻尔的假设。实验内容 1手动测量采用不同的实验参数多次用手动方式测量氟原子的第一激发电位，同时用示波器观测 I4~'c2k曲线。 2自动测量用计算机数据采集、数据处理。 3处理实验数据 1)作图法将在不同状态下所得的I4和G2K测试的对应值画在同一坐标纸上，描绘出I4~G2 曲线并在图上标出U值。分析灯丝电电压、拒斥电压的改变对实验曲线的影响。 2)解析法用最小二乘法原理处理所得数据，求出金属电极的接触电势差U。以及氩原子的第一激发电势U0值。为此，令Uc=a,第一激发电势U0=b,峰点顺序为x,各峰点的电压2K

近代物理实验 —— 物理实验教学中心 3 对曲线的解释 1) 当灯丝加热时，阴极K的氧化层即发射电子，在G K2 间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但在起始阶段，由于电压VG K2 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）只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的极流 AI 管内将随第二栅极电压VG K2 的增加而增大（见图3中的段）。 oa 2) 当VG K2 达到氩原子的第一激发电压时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞（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氩原子，它即使能穿过第二栅极，也不能克服反向拒斥电场，因而被折回第二栅极。所以，此时极板电流 AI 将显著减小（见图3中的ab 段）。原子处于激发态是不稳定的，在实验中被电子轰击到第一激发态的原子要跃迁回基态。 3) 随着第二栅极电压VG K2 的增加，电子能量也随着增加，与氩原子相碰后还留下足够的能量。这就可以克服拒斥电场的作用力而达到极板 A，这时极板电流 AI 又开始上升（bc 段）。 4) 直到VG K2 是氩原子第1激发电压的2倍时，电子在G2 K之间又会因为第2次非弹性碰撞而失去能量，因而又造成第2次板极电流的下降（cd 段）。可见，阳极电流 AI 随着加速电压的增加而呈现周期性变化，两相邻谷点（或峰点）之间的加速电压差值，就是氩原子的第一激发电位值，由此可得出氩原子的第一激发电势。 VG K2 这个实验利用夫兰克-赫兹管内的缓慢电子与氩原子碰撞，通过测量氩的第一激发电位，证明了玻尔的假设。实验内容 1 手动测量采用不同的实验参数多次用手动方式测量氩原子的第一激发电位，同时用示波器观测 ~ VI 2KGA 曲线。 2 自动测量用计算机数据采集、数据处理。 3 处理实验数据 1) 作图法将在不同状态下所得的 AI 和测试的对应值画在同一坐标纸上，描绘出曲线,并在图上标出值。分析灯丝电电压、拒斥电压的改变对实验曲线的影响。 VG K2 ~ VI 2KGA U0 2) 解析法用最小二乘法原理处理所得数据，求出金属电极的接触电势差以及氩原子的第一激发电势值。为此，令，第一激发电势 Uc U0 Uc  a b U0  ，峰点顺序为 x ,各峰点的电压VG K2