夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)

通知本學(xué)期每位同學(xué)都要自選一項(xiàng)選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。可到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)上選項(xiàng)目及時(shí)間。網(wǎng)址：/homepage.action時(shí)間：EFGH組的同學(xué)在第三周周一至周五ABCD組的同學(xué)在第九周周一至周五(上學(xué)期成績(jī)中及以下的同學(xué)選密立根實(shí)驗(yàn))做自選實(shí)驗(yàn)時(shí)間：

EFGH組第4-7周5-6節(jié)：12:15-15:157-8節(jié)：15:25-18:25實(shí)驗(yàn)前要認(rèn)真閱讀講義并做好預(yù)習(xí)報(bào)告。講義可到網(wǎng)站下載。必做實(shí)驗(yàn)9-10節(jié)：17:30-19:00本學(xué)期物理實(shí)驗(yàn)安排表注意：1.第七周（清明節(jié)）和第十一周（勞動(dòng)節(jié)）換停課按照學(xué)校統(tǒng)一安排。2.上課地點(diǎn)：物理館二、三和四樓。9-10節(jié)課上課時(shí)間為17:30至19:00。3.自選實(shí)驗(yàn)在瑞安樓四、五樓和物理館419室。具體安排請(qǐng)注意網(wǎng)上及公告欄通知。

夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)[背景和意義]

1914年，夫蘭克（J．Frank)和赫茲(G.Hertz）采用慢電子轟擊原子的方法，利用兩者的非彈性碰撞將原子激發(fā)到較高能級(jí)。證明了原子內(nèi)部量子化能級(jí)的存在，給上一年發(fā)表的玻爾理論提供了獨(dú)立于光譜研究方法直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。因此他們獲得了1925年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，能學(xué)習(xí)弗蘭克、赫茲為揭示原子量子化能級(jí)所作的巧妙構(gòu)思和采用的方法，了解氣體放電中低能電子和原子間相互作用的機(jī)理，電子與原子碰撞的微觀過程怎樣和實(shí)驗(yàn)中的宏觀量相聯(lián)系，并可研究原子內(nèi)部能量狀態(tài)與能量交換的微觀過程。JAMESFRANCK

（夫蘭克）

GUSTAVHERTZ（赫茲）[目的]1.了解夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的原理和方法。2.測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位，驗(yàn)證原子能級(jí)的存在。[原理]玻爾理論指出，原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（即定態(tài)），又稱為能級(jí)，其中每一狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一定的能量，各定態(tài)的能量是分立的。原子在能級(jí)間進(jìn)行躍遷時(shí)，要吸收或輻射相當(dāng)于兩定態(tài)間能量差值的能量。即hυ=E2-E1=?EE1E2?EE3hυ放出能量吸收能量玻爾理論成功的解釋了氫原子和類氫離子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。關(guān)鍵在于：這個(gè)理論中提出了能量量子化的假設(shè)，即原子內(nèi)部存在著一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)—能級(jí)。原子內(nèi)部是否真的存在能級(jí)？原子能量是否真的是不連續(xù)變化？也就是說，玻爾的定態(tài)假設(shè)是否正確，這不僅要由這個(gè)理論能解釋和說明已有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來證明，更需要進(jìn)一步通過其它的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)確實(shí)存在，這就是1915年由夫蘭克和赫茲完成的實(shí)驗(yàn)，即夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)夫蘭克與赫茲是通過用慢電子與稀薄氣體中的原子碰撞的方法使具有一定能量的電子與原子進(jìn)行能量交換而實(shí)現(xiàn)原子從基態(tài)到高能態(tài)的躍遷的。電子與原子的碰撞可分為彈性和非彈性碰撞兩類.彈性碰撞時(shí)，電子動(dòng)能損耗極小，近似以原速率反向運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)動(dòng)能守恒。非彈性碰撞時(shí)，電子損耗大量能量，速率明顯減小。系統(tǒng)的動(dòng)能損耗被原子吸收，此時(shí)原子將從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷。

本實(shí)驗(yàn)是做一個(gè)與夫蘭克-赫茲的原始實(shí)驗(yàn)類似的實(shí)驗(yàn)來測(cè)定氬元素的第一激發(fā)電位，驗(yàn)證原子能級(jí)的存在。首先通過具有一定能量的電子與氬原子碰撞，進(jìn)行能量交換而實(shí)現(xiàn)氬原子從基態(tài)到高能態(tài)的躍遷。設(shè)氬原子的基態(tài)能量為E1

，第一激發(fā)態(tài)的能量為E2

，初速為零的電子在電位差為U0

的加速電場(chǎng)作用下，獲得能量為eU0，具有這種能量的電子與氬原子發(fā)生碰撞。當(dāng)電子能量EU0

＜E2-E1時(shí)，電子與氬原子只能發(fā)生彈性碰撞，由于電子質(zhì)量比原子質(zhì)量小得多，電子能量損失很少。如果電子與氬原子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞，原子從電子中取得能量?E由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，eU0=

?E，相應(yīng)的電位差U0。即為氬原子的第一激發(fā)電位。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)電路原理在充氬蒸汽的密閉玻璃管中VF陰極（燈絲）所加電壓，并由熱陰極發(fā)出電子。VG1K陰極K與柵極第一柵極G1之間所加電壓，主要是消除空間電荷對(duì)陰極電子發(fā)射的影響，提高發(fā)射效率。

VG2K陰極K和第二柵極之間所加的掃描電壓，形成一加速電場(chǎng)使電子加速。

VG2A在板極P和第二柵極G2之間所加的減速電壓

，形成一減速電場(chǎng)。當(dāng)電子通過KG2空間進(jìn)入G2P空間時(shí)如果仍有較大能量就能克服eE3沖過反向電場(chǎng)而達(dá)到電極P（板極），形成通過電流計(jì)的電流。氬如果電子在KG2空間與氬原子非彈性碰撞，把自己一部分的能量給了原子，使后者被激發(fā)。電子剩余的能量就可能小于eE3

，以致過柵極G2后已不足以克服反向電場(chǎng)到達(dá)不了P，因而也不流過電流計(jì)。如果發(fā)生這樣情況的電子很多，電流計(jì)中流過的電流就會(huì)地下降，板極電流將會(huì)隨柵極電壓增加而減少，實(shí)驗(yàn)很清晰的觀察到這一現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)時(shí)慢慢調(diào)節(jié)使VG2K逐漸增加，仔細(xì)觀察板極電流的變化，將會(huì)得到如圖2所示的IP~VG2K曲線IP~VG2K曲線

隨著VG2K的增加，電子能量增加。當(dāng)電子與氬原子碰撞后還留下足夠的能量，可以克服G2P空間的減速場(chǎng)而到達(dá)板極P，此時(shí)板極電流將開始上升。如果電子在KG2空間得到的能量eU2=2

?E，電子在KG空間會(huì)因二次非彈性碰撞而失去能量，而造成第二次板極電流下降。在U2

較高的情況下，電子在飛向柵極的路程中，將與原子發(fā)生多次非彈性碰撞、只要U2=n?

E（n=1，2，…），就發(fā)生這種碰撞。在IP~U2曲線上將出現(xiàn)多次下降。對(duì)于氬，曲線上相鄰兩峰（或谷）對(duì)應(yīng)的U0之差，即為原子的第一激發(fā)電位。原子的激發(fā)電位?E?EeVG2K=?EeVG2K=2?E[實(shí)驗(yàn)儀器]F-H實(shí)驗(yàn)裝置包括F-H管、穩(wěn)壓電源、掃描電源和微電流測(cè)試儀等部分。穩(wěn)壓電源輸出三組電壓，分別提供燈絲電壓VF、控制柵電壓VG1A和減速電壓VG2K。加速電壓VG2K由掃描電源供給，輸出波形為鋸齒波，掃描分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用手動(dòng)。微電流測(cè)試儀用以測(cè)量nA數(shù)量級(jí)的板極電流。12

3

4

7

5

6

8

實(shí)驗(yàn)儀面板布局圖溫度控制激勵(lì)電壓

電壓

電流

電源開關(guān)

調(diào)整按鍵

信號(hào)輸入輸出

工作狀態(tài)指示

Hg實(shí)驗(yàn)管正面和背面板布局圖11

9

電壓輸入

10

板極電流輸出溫度傳感器接示波器FH-Ar實(shí)驗(yàn)管與實(shí)驗(yàn)儀各電壓和板極電流連線圖[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]測(cè)繪夫蘭克－赫茲管的板流IP與加速電壓UG2K的關(guān)系曲線，測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位U０。按圖連接線路開啟電源，F(xiàn)-H管電源組的各檔電源按F-H管金屬外殼上卡片上的數(shù)據(jù)調(diào)整好（燈絲電壓UF

、柵極電壓VG1K減速電壓VG2A，特別是燈絲電壓不要超過要求的設(shè)定值）開機(jī)后預(yù)熱三十分鐘后再開始實(shí)驗(yàn)1.設(shè)定F-H-Ar實(shí)驗(yàn)管的工作環(huán)境的溫度：調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)上溫控單元的溫度調(diào)節(jié)旋鈕來設(shè)定溫度值，等待30分鐘，使得FH-Ar實(shí)驗(yàn)管的溫度達(dá)到設(shè)定值后方可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。2.設(shè)置儀器為“手動(dòng)”工作狀態(tài)，按“手動(dòng)/自動(dòng)”鍵，“手動(dòng)”指示燈亮。3.設(shè)定電流量程（電流量程可參考機(jī)箱蓋上提供的數(shù)據(jù)）按下相應(yīng)電流量程鍵，對(duì)應(yīng)的量程指示燈點(diǎn)亮。4.設(shè)定電壓源的電壓值（設(shè)定值可參考機(jī)箱蓋上提供的數(shù)據(jù)），用↓/↑，←／→鍵完成，需設(shè)定的電壓源有：燈絲電壓VF、第一加速電壓VG1K、減速電壓VG2A

。

工作介質(zhì)VF（V）VG1K（V）VG2A（V）工作溫度（℃）電流量程10-7AVG2K（V）氬1.8~3.51.0~2.51.0~2.0165~180100≤60充氬夫蘭克管工作參數(shù)（表內(nèi)參數(shù)供參考，如果儀器上標(biāo)有參數(shù)就選用所標(biāo)參數(shù)）5.按下“啟動(dòng)”鍵，實(shí)驗(yàn)開始。用↓/↑，←／→鍵完成VG2K電壓值的調(diào)節(jié)，從0.0V起，按步長(zhǎng)0.1V的電壓值調(diào)節(jié)電壓源VG2K至40V，同步記錄VG2K值和對(duì)應(yīng)的IP值，同時(shí)仔細(xì)觀察夫蘭克一赫茲管的板極電流值IP的變化（可用示波器觀察）。

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的唯一性VG2K電壓必須從小到大單向調(diào)

節(jié)，不可在過程中反復(fù)；記錄完成最后一組數(shù)據(jù)后，立即將VG2K電壓快速歸零（可按啟動(dòng)鍵迅速歸零）。6.重新啟動(dòng)在手動(dòng)測(cè)試的過程中，按下啟動(dòng)按鍵，VG2K的電壓值將被設(shè)置為零，內(nèi)部存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)被清除，示波器上顯示的波形被清除，但VF、VG1K、VG2A、電流檔位等的狀態(tài)不發(fā)生改變。這時(shí)，操作者可以在該狀態(tài)下重新進(jìn)行測(cè)試，或修改狀態(tài)后再進(jìn)行測(cè)試。[數(shù)據(jù)記錄與處理]

1.數(shù)據(jù)記錄

VF=;VG1K=;VG2A=;

工作溫度

;N12345678910111213UG2K(V)N14151617181920212223242526UG2K(V)N27282930313233343536373839UG2K(V)

2.數(shù)據(jù)處理

(1)逐差法處理數(shù)據(jù)

(2)作圖法處理數(shù)據(jù)思考題１、IP－U2曲線是如何形成的？２、IP－