夫蘭克-赫茲實驗(沖突2012-09-23 18-32-52)

夫蘭克—赫茲實驗?zāi)暇├砉ご髮W(xué)物理實驗中心一、背景介紹二、實驗?zāi)康娜嶒炘硭?、實驗儀器五、實驗內(nèi)容與步驟六、注意事項七、思考題提綱一、背景介紹為了研究原子內(nèi)部的能量問題，1914年弗蘭克和赫茲使用了簡單有效的方法，用低速電子去轟擊原子，觀察他們之間的相互作用和能量傳遞過程，并在這種作用下研究原子的行為——觀察受激原子所發(fā)出的輻射，從而證明了原子內(nèi)部能級的存在，為玻爾提供了直接而且是獨立的試驗證據(jù)。他們因這一工作而于1925年獲得了諾貝爾獎金。二、實驗?zāi)康耐ㄟ^汞原子第一激發(fā)電位的問題測量了解夫蘭克和赫茲在研究原子內(nèi)部能量量子化時所采用的基本實驗方法了解電子和原子碰撞和能量交換過程的微觀圖象和影響這個過程的主要物理因素三、實驗原理原子是由原子核和圍繞核沿各種不同軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成一定軌道上的電子具有一定的能量。基態(tài)——電子處于最低能量的軌道上激發(fā)態(tài)——電從低能態(tài)軌道躍遷到高能態(tài)軌道上原子只能處于定態(tài)每一定態(tài)對應(yīng)一獨立不連續(xù)的能量當(dāng)原子從一定態(tài)過渡到另一定態(tài)時會吸收或放出一定頻率的電磁輻射，頻率的大小取決于兩定態(tài)能量的能量差?！镌訝顟B(tài)的改變通常由兩種原因產(chǎn)生原子本身吸收和發(fā)出電子發(fā)射。原子與電子發(fā)生碰撞發(fā)生而交換能量彈性碰撞非彈性碰撞★電子與氣體原子的彈性碰撞電子平均自由程λ：描述電子與氣體原子互作用的頻率，它隨溫度的變化很大。電子從電場獲得的能量K=eEl經(jīng)歷一次彈性碰撞損失的能量為fε如果K>fε電子平均動能和平均速度將不斷增加，電子就有可能獲得足夠的能量與氣體原子發(fā)生非彈性碰撞。躍遷到態(tài)原子，極短時內(nèi)通過自發(fā)輻射躍遷退激回基態(tài)。按玻爾理論，輻射出能量為4.9eV的光量子，其波長為2537?。規(guī)定：汞原子基態(tài)的能量為零離其最近的短壽命激發(fā)態(tài)為:態(tài)(簡稱)其能量為4.9eV?！镫娮优c原子的非彈性碰撞說明:（1）態(tài)是汞的最低激發(fā)態(tài)，其能量為4.7eV,但由于此態(tài)為亞穩(wěn)定態(tài)，壽命很長，一般試驗條件下，不易測出4.7eV的能量損失。（2）各能態(tài)的激發(fā)概率和電子平均自由程的長短決定了電子能否將汞原子激發(fā)到其他較高的激發(fā)電位。

本實驗中當(dāng)UGK≥4.9V時，汞蒸汽開始發(fā)光,并獲得了波長為2537?的譜線。這說明電子損失的能量使汞原子從基態(tài)躍遷到態(tài),稱使汞原子激發(fā)到態(tài)的加速電位差為汞的第一激發(fā)電位。

夫蘭克和赫茲實驗就是利用一定能量的電子與汞、氖等原子碰撞實現(xiàn)原子的改變。

實驗原理圖如下：

在汞的F-H管內(nèi)，電子由熱陰極K發(fā)射,然后在陰極K和柵極G之間加速電UGK作用下加速，陰極A與柵極G之間有反向電壓－UAG。當(dāng)電子與KG內(nèi)產(chǎn)生非彈性碰撞時，一部分能量使汞原子激發(fā),電子剩于能量不足以克服反向拒斥電壓而沖不過GA空間反斥回柵極，陽極A接到電子顯著減少，形成為電流突然下降。當(dāng)電子通過KG空間到達(dá)GA空間，如果E≥eUGA

就通過反向斥拒電場到達(dá)陽極形成陽極電流。曲線特點:（1）隨UGK的增大，板流IA顯示出一系列極大值和極小值。（2）各極大值或極小值之間間距為4.9V。IA-UGK變化曲線如下圖：真空狀態(tài)下F-H管的電流特性

飽和電流對燈絲溫度和脫出功的變化十分敏感。1.|UGK|≤|UAG|=0如圖OA2.|UGK|>|UAG|UGK

較小時

F-H管工作在空間電荷極限

區(qū)域,IA&如圖AB段UGK

足夠大時

F-H管工作在空間加速區(qū)電流達(dá)到飽和狀態(tài),如圖BC段

四、實驗儀器

夫蘭克－赫茲試驗是由以下三部分組成：夫蘭克－赫茲管溫控加熱爐微電流測量發(fā)大器體效應(yīng)管1、夫蘭克－赫茲管：夫蘭克－赫茲管結(jié)構(gòu)像一個三極管，有陰極K，網(wǎng)狀柵極G，接收電流的平面板極A。管子內(nèi)部有汞，當(dāng)溫度爐溫升高，汞汽化成為汞蒸汽充滿管子。2、加熱爐：

控溫加熱爐內(nèi)裝有F－H管，為F-H管提供試驗溫度環(huán)境。熱電子通過F-H管所形成的弱電流經(jīng)一輸入到微電流放大器。柵極G:G與一之間加拒斥電壓，G與K之間加?xùn)艠O。K與G之間為柵壓，K與H間為燈絲電壓。3、微電流測量放大器：倍率選擇:電流表換檔；滿度調(diào)節(jié)時用*FULL的檔。顯示柵壓值測量電流第一工作狀態(tài)：R激發(fā)態(tài)；I電離態(tài)柵極電壓：通過調(diào)節(jié)柵壓從而改變電子－汞原子碰撞幾率，最終在微安表上表現(xiàn)為電流的變化。儀器對實驗的影響（1）F-H管的陰極和柵極往往是用不同金屬材料制成，因此會產(chǎn)生接觸電勢差,使得真正加到電子上的加速電壓是UGK與接觸電壓的代數(shù)和。（2）燈絲的溫度對發(fā)射電子初始動能有一定影響,但一般溫度下燈絲發(fā)射的電子其能量分散小于零點幾個電子伏特。五、實驗內(nèi)容與步驟（1）了解各試驗儀器的性能、操作方法和注意事項；（2）接通加熱爐電源,將溫控旋鈕定在180℃加熱；（3）接通微電流測量儀電源使其預(yù)熱，15~30分鐘后進(jìn)行調(diào)零和“滿度”校準(zhǔn)；（4）將測量儀的“柵壓選擇”撥向“DC”,“柵壓調(diào)節(jié)”至最小，按圖實線部分連接電路；（5）將燈絲電壓調(diào)至6.3伏；（6）觀察加熱爐溫度使穩(wěn)定到180℃；（7）將“倍律”旋鈕撥到“×10－6”檔，緩慢旋轉(zhuǎn)“柵壓調(diào)節(jié)”旋鈕,增大UGK，觀察IA的變化;（8）在已觀察到IA的起伏變化后,將”柵壓電壓”旋至最小，然后逐點測出汞原子的IA-UGK曲線,在峰頂和谷底附近，UGK間隔應(yīng)盡量取小些;（9）改變加熱爐溫度，在同一座標(biāo)紙上畫出不同溫度條件下的IA—UGK曲線;實驗數(shù)據(jù)處理：實驗數(shù)據(jù)U燈絲=1.2VUG1K=2.2VUG2K=0.8V爐溫180℃六、注意事項1、如用充汞管則應(yīng)先開啟加熱電爐至實驗值，再開啟其他電源。2、不同的實驗條件有不同的UG2K擊穿值，擊穿一旦發(fā)生應(yīng)立即調(diào)低UG2K，以免夫蘭克－赫茲管受損。3、燈絲電壓不宜放得過