實(shí)驗(yàn)4 弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)25夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釬-H實(shí)驗(yàn)原理和方法，提高綜合分析能力；測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位，驗(yàn)證玻爾理論。二、實(shí)驗(yàn)儀器F（夫蘭克）一H（赫茲）實(shí)驗(yàn)儀。三、實(shí)驗(yàn)原理玻爾的原子理論指出，原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（即穩(wěn)態(tài)）。原子的每一狀態(tài)具有一定的能量，稱能級(jí)。各能級(jí)的能量值彼此分立，原子能量不論通過(guò)什么方式發(fā)生改變時(shí)，只能使原子從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)（一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)）。原子從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)發(fā)射或吸收的能量是一定的。若用E和E表示兩個(gè)狀態(tài)的能12量，則發(fā)射和吸收的輻射光子頻率由下式?jīng)Q定：hv=E一E21式中，h為普朗克常數(shù)，1986年推薦值為h=（6.

2、62607550.0000040）X10-3Js。能量最低的狀態(tài)稱基態(tài)，能量較高的狀態(tài)稱激發(fā)態(tài)，能量最低的激發(fā)態(tài)稱第一激發(fā)態(tài)。原子只能吸收或釋放兩狀態(tài)間的能量差，若要原子狀態(tài)發(fā)生改變，所具備的能量不能少于原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時(shí)所需要的能量。為使原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，可以通過(guò)具有一定頻率的光子來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)具有一定能量的電子與原子碰撞進(jìn)行能量交換的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)采用后者。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，它的核心是夫蘭克赫茲管（簡(jiǎn)稱F-H管）。在密封的玻璃管內(nèi)充有汞或其他惰性氣體（如氬、氖等）。燈絲f通電后熾熱，使旁熱式陰極受熱而發(fā)射電子。第一柵極G的作用主1要是消除空間電荷對(duì)陰極電子發(fā)射的

3、影響。在陰極K和第二柵極G之間施加一加速電2壓U，電子在U的加速下，22以動(dòng)能eU穿過(guò)第二柵極2G而飛向板極A。在G與22A間加有一減速電壓U，形3成一個(gè)減速電場(chǎng)。只有能量大于eU的電子才能到達(dá)板極A而形成板極電流I板流I用微2AA電流測(cè)試儀A測(cè)量。在保持U和U不變的情況下，改變加速電壓U的大小，測(cè)出相應(yīng)的132板極電流I，將得到如圖2所示的特性曲線。A當(dāng)加速電壓U從零開(kāi)始增大時(shí)，板極電流I隨之增大，表示電子動(dòng)能增加，到達(dá)板極2A的電子數(shù)目必隨之增多。這說(shuō)明電子在飛行途中盡管回與管內(nèi)的汞原子碰撞，但不損失能量，是彈性碰撞。當(dāng)U增大到汞原子的第一激發(fā)電位U時(shí)，I轉(zhuǎn)為下降，表示到達(dá)板極的電子數(shù)目減

4、20A少。說(shuō)明有些電子與汞原子發(fā)生了非彈性碰撞把能量傳遞給汞原子，再也不能穿越減速電場(chǎng)而到達(dá)板極。加速電壓U繼續(xù)增大，板極電流I又逐漸回升，這說(shuō)明電子與汞原子碰撞后2A的剩余能量尚能使電子穿越減速電場(chǎng)而到達(dá)板極。當(dāng)U增大到2U時(shí)，I又轉(zhuǎn)為下降，22A說(shuō)明電子與汞原子發(fā)生了第二次非彈性碰撞。同樣的道理，隨著加速電壓U的繼續(xù)增大，2電子會(huì)在第二柵極G附近與汞原子發(fā)生第三次、第四次、非彈性碰撞，從而引起板流I2A的相應(yīng)下跌。可見(jiàn)，凡滿足加速電壓U=nU(n=1,2,3,)20時(shí)，板極電流I都會(huì)相應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏的I-U特性曲線如圖2所示，而與相鄰兩AA2板極電流極大值(或極小值)所對(duì)應(yīng)的加速電壓

5、的差值就是汞原子的第一激發(fā)電位U，它0的公認(rèn)值為4.9V。從I-U特性曲線可見(jiàn)，板極電流I并A2A不是突然下降的，有一個(gè)變化過(guò)程，這是因?yàn)殛帢O發(fā)射出來(lái)的電子，它們的初始能量不是完全相同的，服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。另外，由于電子與汞原子的碰撞有一定的幾率，在大部分電子與汞原子碰撞而損失能量的時(shí)候，還會(huì)存在一些電子沒(méi)有碰撞而到達(dá)了板極，所以板極電流I不會(huì)降到零。A原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。在上述實(shí)驗(yàn)中，被電子碰撞的汞原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，吸收了EU電子伏特的能量；當(dāng)它再跳0到基態(tài)時(shí)，就應(yīng)該有EU電子伏特的能量發(fā)射0出來(lái)。如果上述分析成立，就應(yīng)該能看到汞原子從第一激發(fā)態(tài)時(shí)所發(fā)出的輻射。進(jìn)行這種躍遷

6、時(shí)，汞原子是以放出光量子的形式向外輻射能量的。這種光輻射的波長(zhǎng)九由下式?jīng)Q定,CeUc=H=h0九式中普朗克常數(shù)取h=6.63X10-34js,光速取C=3.00X108m.s1，電子電荷取e=1.60X10-19，汞原子的第一激發(fā)態(tài)電位U=4.9V，由下式算得九=2.5X102nm。紫外光譜儀測(cè)量0確實(shí)觀測(cè)到了波長(zhǎng)為九=253.7nm的紫外譜線。如果FH管內(nèi)U=13.1V,它從第一激發(fā)態(tài)躍遷回0基態(tài)所輻射的光波波長(zhǎng)九=81.15nm。1914年夫蘭克和赫茲所用的是一支充汞的三極管，只有陰極、加速柵極和板極。1920年，他們對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，使電子在加速區(qū)獲得高于4.9eV的能量，從而測(cè)量出

7、汞原子的一系列較高的激發(fā)電位，進(jìn)一步證實(shí)了原子內(nèi)部能量狀態(tài)的不連續(xù)性。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟測(cè)定氬原子第一激發(fā)電位本實(shí)驗(yàn)采用四極FH管，管內(nèi)充有氬氣。氬氣FH管在常溫下即可工作。燈絲F加熱陰極K，K發(fā)出大量電子，這些電子經(jīng)G、K間的電壓U加速獲得能量，并在G、2G2K2K之間與氬原子發(fā)生碰撞，把部分或全部能量交換給氬原子，再經(jīng)減速電壓U、到達(dá)板G2K極A,形成板極電流I。A本實(shí)驗(yàn)儀原理框圖如圖3示。各路穩(wěn)壓電源，掃描電源和微電流放大器合為一體。儀器內(nèi)裝有單片計(jì)算機(jī)、用數(shù)字技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集處理及控制掃描電壓，計(jì)算FH曲線上的峰谷點(diǎn)，用液晶顯示器(LCD)顯示FH曲線和數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟：1按圖4連接FH

8、管和MCFH20FH實(shí)驗(yàn)儀。圖3MCFIt20FH實(shí)驗(yàn)儀原理框圖2.將FH實(shí)驗(yàn)儀預(yù)熱10分鐘，調(diào)整各電壓，調(diào)整范圍如下表VVVF2.34.4VG11.52.5VA210V儀器自動(dòng)采樣，等待一會(huì)，得到FH曲線，如曲線不合要求，重新調(diào)整電V、V、FG1V壓，直到獲得滿意的曲線。A進(jìn)人數(shù)據(jù)輸出欄，顯示每間隔1V的I電流值。x軸是掃描電壓，y軸是板極電流IAA值，單位nA。把數(shù)據(jù)填人自擬表格，用坐標(biāo)紙繪出FH曲線。開(kāi)機(jī)后儀器右側(cè)顯示操作菜單，“”和“”為光標(biāo)移動(dòng)鍵，將光標(biāo)移動(dòng)到所選欄內(nèi),“Enter鍵進(jìn)入，儀器執(zhí)行所選功能。其中：Sample自動(dòng)采樣：儀器一面采集I的值，一面逐漸升高掃描電壓，掃描電壓

9、每增加0.3V采A集一次I值完成采集后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，等待數(shù)分鐘后，將顯示FH曲線。AManual手動(dòng)采樣：通過(guò)調(diào)整“手動(dòng)調(diào)節(jié)”旋鈕調(diào)整掃描電壓用萬(wàn)用表DC100V擋測(cè)量掃描電壓，屏幕上顯示相對(duì)應(yīng)的I值。手動(dòng)時(shí)，儀器不能保存測(cè)量值。AOutdata以1V為間隔，顯示曲線上各點(diǎn)的數(shù)據(jù)，按“”、“”鍵翻頁(yè)，按其余鍵退出。Min&max顯示極小點(diǎn)和極大點(diǎn)，按“”切換顯示極大點(diǎn)，按“”鍵顯示極小點(diǎn)，按其余鍵退出。CleanLCD清除正在顯示的曲線。五、注意事項(xiàng)仔細(xì)檢查接線，使用MCFH20實(shí)驗(yàn)儀時(shí)，各路電壓不得互換。2自動(dòng)測(cè)量前，“手動(dòng)調(diào)節(jié)”旋鈕應(yīng)逆時(shí)針調(diào)到最小位置，否則掃描電壓輸出端可能帶有100V的