PPT-弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)

1、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)部基礎(chǔ)部-物理實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)室弗蘭克-赫茲簡(jiǎn)介 海因里希魯?shù)婪蚝掌潱聡?guó)物理學(xué)家，于1888年首先證實(shí)了電磁波的存在，并對(duì)電磁學(xué)有很大貢獻(xiàn)，故頻率的國(guó)際單位制單位“赫茲”以他的名字命名。弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介 原子能級(jí)的存在最早是從光譜學(xué)的研究中推斷出來的。1914年，弗蘭克和赫茲采用慢電子和稀薄氣體原子碰撞的方法，測(cè)得原子吸收或發(fā)射的能量是不連續(xù)的，從而證明了原子能級(jí)的存在，弗蘭克和赫茲也由于這一杰出的貢獻(xiàn)共同獲得了1925年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^測(cè)定（氬）原子的第一激發(fā)電位通過測(cè)定（氬）原子的第一激發(fā)電位U0，證明玻爾原子能級(jí)的存在，了解原子能級(jí)證明玻爾原子能級(jí)的

2、存在，了解原子能級(jí)的量子化結(jié)構(gòu)。的量子化結(jié)構(gòu)。了解夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想了解夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)方法。方法。實(shí)驗(yàn)原理玻爾原子模型玻爾關(guān)于原子理論的兩個(gè)基本假設(shè)：玻爾關(guān)于原子理論的兩個(gè)基本假設(shè)：1）定態(tài)假設(shè)：原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些定態(tài)，原子在定態(tài)時(shí)不發(fā)射也不吸收能量，各定態(tài)的能量是不連續(xù)的值E1、E2、E3、。2）躍遷假設(shè)：原子從一個(gè)定態(tài)E2躍遷到另一個(gè)定態(tài)E1時(shí)，要輻射出一個(gè)光子，其頻率是一定的，滿足： h=E2-E1實(shí)驗(yàn)原理玻爾原子模型一般情況下，原子的最外層電子都是處于基態(tài)的。一般情況下，原子的最外層電子都是處于基態(tài)的。當(dāng)原子受到外部能量的作用后，其最外層電子就當(dāng)原子

3、受到外部能量的作用后，其最外層電子就會(huì)躍遷到高能級(jí)上，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子，會(huì)躍遷到高能級(jí)上，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子，eU0=E2-E1 。激發(fā)態(tài)原子極不穩(wěn)定，在極短時(shí)間內(nèi)就會(huì)重新躍激發(fā)態(tài)原子極不穩(wěn)定，在極短時(shí)間內(nèi)就會(huì)重新躍遷回基態(tài)，并將其吸收的能量以光子形式釋放出遷回基態(tài)，并將其吸收的能量以光子形式釋放出去去,h=E2-E1 。每一種躍遷都會(huì)發(fā)射出一種波長(zhǎng)的光，。每一種躍遷都會(huì)發(fā)射出一種波長(zhǎng)的光，在光譜中相應(yīng)的產(chǎn)生一種譜線。在光譜中相應(yīng)的產(chǎn)生一種譜線。元素汞（汞（Hg）鈉（鈉（Na） 鉀（K） 鋰（Li） 鎂（Mg）氖（Ne） 氬（Ar）U0（V）4.92.121.631.843.218.613.1l（）

4、253758905896766476996707.845716402.28115.3第一激發(fā)電位第一激發(fā)電位eU0=E2-E1 h=E2-E1 實(shí)驗(yàn)原理第一激發(fā)電位IA-UG2K曲線曲線 弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)線路原理圖弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)線路原理圖氬原子氬原子 UG2K=U1電子與原子第一電子與原子第一次碰撞，將次碰撞，將eU0能能量傳遞給原子量傳遞給原子UG2K=U2UG2K=U3EeVG2A時(shí)：電子未時(shí)：電子未能穿越板極能穿越板極A形成電流，形成電流，柵極電流為零！柵極電流為零！EeVG2A時(shí)：電子穿越板極時(shí)：電子穿越板極A形成電流，且隨著形成電流，且隨著VG2K的增大，的增大，能夠穿越的電子數(shù)量越來

5、越多，能夠穿越的電子數(shù)量越來越多，電流電流IA增大！增大！與原子碰撞交出能量的電與原子碰撞交出能量的電子數(shù)量增多，能量損失后子數(shù)量增多，能量損失后未能穿越板極未能穿越板極A，電流減，電流減??！??！與原子碰撞后剩余能量足以穿與原子碰撞后剩余能量足以穿越板極越板極A的電子數(shù)量增多，電的電子數(shù)量增多，電流增大！流增大！實(shí)驗(yàn)原理弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)第一激發(fā)電位與電流變化的關(guān)系IA-UG2K曲線曲線U0U0U0U0U0原子第一激原子第一激發(fā)電位等于發(fā)電位等于相鄰兩個(gè)峰相鄰兩個(gè)峰電流（或谷電流（或谷電流）對(duì)應(yīng)電流）對(duì)應(yīng)的電壓差。的電壓差。電流顯示電流顯示電流顯示電流顯示檔位轉(zhuǎn)換檔位轉(zhuǎn)換電壓顯示電壓顯示電壓顯示電

6、壓顯示檔位轉(zhuǎn)換檔位轉(zhuǎn)換電壓調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)左右位置左右位置選擇按鈕選擇按鈕增大減小增大減小調(diào)節(jié)按鈕調(diào)節(jié)按鈕1、各旋鈕逆時(shí)針旋至底，接通導(dǎo)線，檢查無誤后開機(jī)，預(yù)、各旋鈕逆時(shí)針旋至底，接通導(dǎo)線，檢查無誤后開機(jī)，預(yù)熱熱5min。【電子逸出過程與熱能有關(guān)，需要一定的穩(wěn)定時(shí)電子逸出過程與熱能有關(guān)，需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，故需預(yù)熱！間，故需預(yù)熱！】2、自動(dòng)、自動(dòng)/手動(dòng)測(cè)量：手動(dòng)測(cè)量： (1)“自動(dòng)自動(dòng)/手動(dòng)手動(dòng)”； (2)參數(shù)設(shè)置：參考機(jī)箱蓋上提供數(shù)據(jù)；參數(shù)設(shè)置：參考機(jī)箱蓋上提供數(shù)據(jù)； (3)“啟動(dòng)啟動(dòng)/增加增加VG2K 電壓電壓”； (4)查閱數(shù)據(jù)，記錄谷底或峰尖對(duì)應(yīng)查閱數(shù)據(jù)，記錄谷底或峰尖對(duì)應(yīng) VG2K 電壓

7、，并計(jì)算第電壓，并計(jì)算第一激發(fā)電位一激發(fā)電位U0。3、按下、按下“自動(dòng)自動(dòng)/手動(dòng)手動(dòng)”鍵，將數(shù)據(jù)清零。鍵，將數(shù)據(jù)清零。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、為什么相鄰電流峰值對(duì)應(yīng)的電壓之差就、為什么相鄰電流峰值對(duì)應(yīng)的電壓之差就是第一激光電位？是第一激光電位？ 答：答：當(dāng)電子能量達(dá)到eUG2K (UG2KU0) 時(shí)，與所測(cè)原子（例如氬原子）碰撞從而失去eU0的能量，由于存在拒斥電壓，電子將不能夠穿越板極形成電流，電流下降形成第一個(gè)峰。當(dāng)電子能量UG2K2U0時(shí)，電子在G2K之間又會(huì)因第二次非彈性碰撞而失去能量2eU0 ，于是出現(xiàn)第二個(gè)峰值。根據(jù)上述分析可知，能量轉(zhuǎn)移隨著加速電壓的增加而呈現(xiàn)周期性的變化，所以電流峰值對(duì)應(yīng)的

8、電壓差就是第一激發(fā)電位。思考題2、谷電流為什么不為零？、谷電流為什么不為零？答：答：由于電子在柵極G2附近跟氬原子發(fā)生碰撞存在一定的幾率，總有一部分電子在柵極附近未與氬原子發(fā)生碰撞而直接到達(dá)A極形成電流，因此谷電流不等于零。3、為什么隨著、為什么隨著UG2K的增加，的增加，IA的峰值越來的峰值越來越高？越高？答：答：因?yàn)殡S著UG2K的增加，能夠穿越A極的電子數(shù)量越來越多，電流IA越來越大。思考題4、為什么第一激發(fā)電位（、為什么第一激發(fā)電位（11.6V）不等于曲線）不等于曲線第一個(gè)峰的電壓（第一個(gè)峰的電壓（22V）？）？答答：a、拒斥電壓的存在（8V）b、F-H管的陰極K和柵極G2往往由不同的金

9、屬材料制作，因此會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，使電子實(shí)際的加速電壓不等于UG2K，這將影響F-H實(shí)驗(yàn)曲線第一個(gè)峰的位置。5、為什么曲線的峰值是緩慢過渡的，而不是瞬、為什么曲線的峰值是緩慢過渡的，而不是瞬間達(dá)到的？間達(dá)到的？分析原因：分析原因：燈絲發(fā)射電子的初動(dòng)能并不是完全確定的一個(gè)值，而是滿足一個(gè)正態(tài)分布，電子經(jīng)加速后的動(dòng)能也存在一個(gè)分布，所以導(dǎo)致峰電流和谷電流存在一定的寬度。思考題電磁波譜與可見光譜趣 聞玻爾原子模型玻爾原子模型1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！弗蘭克弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)赫茲實(shí)驗(yàn)利用汞蒸氣實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每隔利用汞蒸氣實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每隔4.9 V電勢(shì)差，板極電勢(shì)差，板極電流就突降一次。電流就

10、突降一次。但是他們認(rèn)為這是因?yàn)榈撬麄冋J(rèn)為這是因?yàn)?.9 V的電勢(shì)差引起了汞離子的電離，這恰與的電勢(shì)差引起了汞離子的電離，這恰與當(dāng)時(shí)比較盛行的當(dāng)時(shí)比較盛行的“斯塔克理論斯塔克理論”相恰和。于是他們?cè)谡撐闹忻鞔_表示：相恰和。于是他們?cè)谡撐闹忻鞔_表示：“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合玻爾理論我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合玻爾理論”。盡管如此，玻爾于盡管如此，玻爾于1915年堅(jiān)持指出年堅(jiān)持指出“弗蘭克弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的赫茲實(shí)驗(yàn)的4.9 V正是我正是我的能級(jí)理論中預(yù)言的汞原子的第一激發(fā)電位！的能級(jí)理論中預(yù)言的汞原子的第一激發(fā)電位！”1919年，弗蘭克與赫茲才表示同意玻爾觀點(diǎn)，并因此獲得年，弗蘭克與赫茲才表示同意玻爾觀點(diǎn)，并因此獲得1925年諾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！弗蘭克在諾獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)獎(jiǎng)詞中講道：弗蘭克在諾獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)獎(jiǎng)詞中講道：“在用電子碰撞方法證明向原子傳遞的在用電子碰撞方法證明向原子傳遞的能量是量子化的這一科學(xué)研究的發(fā)展中，我們所做的一部分工作犯了許多能量是量子化的這一科學(xué)研究的發(fā)展中，我們所做的一部分工作犯了許多錯(cuò)誤，走了一些彎路，盡管玻爾理論已為這個(gè)領(lǐng)域開辟了筆直的通道。后錯(cuò)誤，走了一些彎路，盡管玻爾理論已為這個(gè)領(lǐng)域開辟了筆直的通道。后來我們認(rèn)識(shí)到了