石河子大学：《综合物理实验》课程实验讲义（近代物理实验）弗兰克－赫兹实验.pdf_大学文库

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义弗兰克一赫兹实验弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 1913年丹麦物理学家玻尔(NBor)提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量E)向低能态（能量￡）跃迁时才辐射。辐射能量满足 AE=E-E (1) 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。 1914年德国物理学家弗兰克(J-Franck)和赫兹 (G-Hertz)用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第 A 一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又 0 观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克一赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论原获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925 年获此奖。【实验目的】 1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调图1弗兰克-赫兹实验原理图节和使用方法。 2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。 3、测量氧原子的第一激发电位： 4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解：【实验器材】智能型弗兰克赫兹实验仪，计算机，示波器【实验原理】夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K,阳极A,G,、G,分别为第一、第二栅极。 K-G-加正向电压，为电子提供能量。U。x的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响提高发射效率。G-A加反向电压，形成拒斥电场

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义弗兰克—赫兹实验弗兰克-赫兹实验是 1914 年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 1913 年丹麦物理学家玻尔（NwBohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射能量满足 ∆E = Em−En （1）对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。氩原子电子 I 微电流仪 A G1 G2 K 灯丝电压 UG1K UG2A UG2K 1914 年德国物理学家弗兰克（ JwFranck）和赫兹（GwHertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925 年获此奖。【实验目的】 1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。图 1 弗兰克-赫兹实验原理图 2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。 3、测量氩原子的第一激发电位； 4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；【实验器材】智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器【实验原理】夫兰克一赫兹实验原理如图 1 所示，在真空管中充待测氩气，阴极K，阳极A，G1 、G2分别为第一、第二栅极。 K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G G K1 U 2-A加反向电压，形成拒斥电场。 1

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义电子从K发出，在R-G:区间获得能量，在GA区间损失能量。如果电子进入GA区域时动能大于或等于eU。,A,就能到达阳极形成阳极电流乙电子在不同区间的情况： 1.-G区间电子迅速被电场加速而获得能量。 2.GGz区间电子与氩原子碰撞。当其能量小于氢原子第一激发态与基态的能级差4E=- 时，氯原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到4区，则可能在碰撞中被氯原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。4称为临界能量。 3.G-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eW则不能达到阳极。由此可见，若en4B,则电子在进入Ga-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流随加速电压U。s变化曲线就形成个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差4称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差 (2) 【实验内容及步骤】测量原子的第一激发电位。通过一I曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氯原子的第激发电位。一、实验步骤 1.将面板上的四对插座（灯丝电压，UG,x:第二栅压，UGx:第一橘压，Uc,A:拒斥电压）按面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器）连接好。 2.打开仪器电源，开启计算机（或示波器）。 3.“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动”灯点亮。 4.电流档为10A、10A、10'A和10‘A、开机时位于“10A”本实验保持此档不变。 5.按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压UaK、拒斥电压A、电流量程预置相应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“人”键或“V”键，更改预置值，若按下“<”健或 2

石河子大学师范学院物理系近代物理实验讲义电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大于或等于e ，就能到达阳极形成阳极电流I. G A2 U 电子在不同区间的情况： 1. K-G1区间电子迅速被电场加速而获得能量。 2. G1-G2区间电子与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差∆E＝E2−E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到∆E，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。∆E称为临界能量。 3. G2-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eU G2A则不能达到阳极。 I(nA) a b c G K2 U (V) O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 由此可见，若eUG2Kn∆E，则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流I随加速电压变化曲线就形成n个峰值，如图 2 所示。相邻峰值之间的电压差∆U称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差 G K2 U ∆E= e∆U （2）【实验内容及步骤】测量原子的第一激发电位。通过UG2K-I曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一激发电位。一、实验步骤 1．将面板上的四对插座（灯丝电压，：第二栅压，：第一栅压，：拒斥电压）按面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器）连接好。 G K2 U G K1 U G A2 U 2．打开仪器电源,开启计算机(或示波器)。 3．“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动 ”灯点亮。 4．电流档为 10−9 A、10−８ A、10−７ A和 10−６ A、开机时位于“10−9 A”本实验保持此档不变。 5．按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压 G K1 U 、拒斥电压、电流量程I预置相应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“∧”键或“∨”键，更改预置值，若按下“<” 键或 G A2 U 2