夫蘭克-赫茲實驗-2

夫蘭克-赫茲實驗12月2日8時30分至12時30分試驗地點:四合院試驗類型:教學演示驗證綜合設計同學科研課外開放測試其它,,...,-,,,,,,,,,,,,,,,-,,,,,,,,,,,,云南高校物理試驗教學中心試驗報告一試驗目的1了解夫蘭克-赫茲試驗的原理和方法,測定***的第一激發(fā)電位,驗證原子能級的存在;2練使用微機掌握的試驗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

二試驗原理依據(jù)玻爾的原子模型理論,原子是由原子核和以核為中心沿各種不同軌道運動的一些電子構(gòu)成的。

對于不同的原子,這些軌道上的電子數(shù)分布各不相同。

肯定軌道上的電子具有肯定的能量,能量最低的狀態(tài)稱為基態(tài),能量較高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài),能量最低的激發(fā)態(tài)稱第一激發(fā)態(tài)。

當同一原子的電子從低能量的軌道躍遷到較高能量的軌道時,原子就處于受激狀態(tài)。

但是原子所處的能量狀態(tài)并不是任意的,而是受到玻爾理論的兩個基本假設的制約:1定態(tài)假設。

原子只能處在一些穩(wěn)定狀態(tài)中,其中每一狀態(tài)具有肯定的能量值,這些能量值是彼此分立、不連續(xù)的,稱為能級。

,1,2,3,2頻率定則。

當原子從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時,即從一個能級躍遷到另一個能級,就放射或汲取的肯定頻率的電磁輻射,電磁輻射的頻率由下式打算,,1,,,34式中,為普朗克常數(shù),1986年推舉值為。

,,,10,原子狀態(tài)的轉(zhuǎn)變通常在兩種狀況下發(fā)生,一是當原子本身汲取或放出電磁輻射時,二是當原子與其他粒子發(fā)生碰撞而交換能量時。

本試驗就是利用具有肯定能量的電子與***或***原子相碰撞而發(fā)生能量交換來實現(xiàn)原子狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

由玻爾理論可知,處于基態(tài)的原子發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變時,其所需的能量不能小于該原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時所需的能量,這一能量稱為臨界能量。

當電子與原子碰撞時,假如電子能量小于臨界能量,則發(fā)生彈性碰撞;若電子能量大于臨界能量,則發(fā)生非彈性碰撞。

這時,電子賜予原子以躍遷到第一激發(fā)態(tài)時所需要的能量,其余的能量仍由電子保留。

一般狀況下原子在激發(fā)態(tài)所處的時間不會太長,短時間后會回到基態(tài),并以電磁輻射的形式釋放出所獲得的能量。

電磁輻射的頻率滿意下式,2,,0式中為原子的第一激發(fā)電位。

所以當電子的能量等于或大于第一激發(fā)能時,原子就0開頭發(fā)光。

夫蘭克-赫茲試驗的原理可用圖1來說明,其核心是夫蘭克-赫茲管簡稱-管,它是一個具有雙柵極結(jié)構(gòu)的柱面型充***或***等惰性氣體的四極管。

燈絲通電后酷熱,使旁熱式陰極受熱而放射慢電子。

第一柵極和陰極1之間的電位差由電源供應,有一個小正向電壓,其作用主要是消退空間電荷對陰極電子放射的影響。

掃描電源加在其次柵極和陰2極之間,建立一個加速電場,使得從陰極發(fā)出的電子在的加速下,以動能穿過其次圖1-試驗原理圖柵極而飛向板極。

由于陰極到柵極之間的距離比較大,在適當?shù)?**或***蒸氣壓下,22這些電子與氣體原子可以發(fā)生多次碰撞。

電源在與板極之間形成一個減速電場。

在2穿越的電子中,只有能量大于的電子才能到達板極而形成板極電流。

板極電流2,,...1,-,,,,,,,,,,,,,,,-,,,,,,,,,,,,用微電流測試儀測量,其值大小反應了從陰極達到板極的電子數(shù)。

在保持和不變的狀況下,轉(zhuǎn)變加速電壓的大小,測出相應的板極電流,將得到如圖2所示的特性曲線。

~當加速電壓從零開頭增大時,板極電流也隨之增大,表示電子動能增加,到達板極的電子數(shù)目必隨之增多。

這說明電子在飛行途中盡管會與管內(nèi)的***原子碰撞,但不損失能量,是彈性碰撞。

圖2充***的-管的特性曲線~當增大到***原子的第一激發(fā)電位時,這時在柵極四周的電子與***原子發(fā)生非20彈性碰撞,把幾乎全部的能量傳遞給***原子,使***原子激發(fā)。

這些損失了能量的電子不能穿越減速電場到達板極,即到達板極的電子數(shù)目削減,所以開頭下降。

連續(xù)增大,板極電流又漸漸回升,這說明電子與***原子碰撞后的剩余能量尚能使電子穿越減速電場而到達板極。

當增大到時,又轉(zhuǎn)為下降,說明電子與***原子發(fā)20生了其次次非彈性碰撞而失去能量,并且受到減速電場的阻擋而不能達到板極,電流再度下降。

同樣的道理,隨著加速電壓的連續(xù)增大,電子會在柵極四周發(fā)生第三次、第2四次、…非彈性碰撞,從而引起板極電流的相應下跌,形成具有規(guī)章起伏的曲線。

~可見,加速電壓凡滿意3,,1,2,3,0時,板極電流都會相應下跌,而與相鄰兩板極電流極大值或微小值***原子的第一激發(fā)電位,它的公認值為。

0從特性曲線可見,板極電流并不是突然下降的,有一個變化過程,這是由于~陰極放射出來的電子,它們的初始能量不是完全相同的,聽從肯定的統(tǒng)計規(guī)律。

另外,由于電子與***原子的碰撞有肯定的幾率,在大部分電子與***原子碰撞而損失能量的時候,還會存在一些電子沒有參加碰撞而到達了板極,所以不會降到零。

原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。

在上述試驗中,被電子碰撞的***原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài),汲取了電子伏特的能量;當它再跳回基態(tài)時,就應當有電子伏特的能量以電00,348,,10,,,10磁輻射形式放射出來,輻射的頻率由式2打算。

取,,,,192,,10,,,10,,算得。

紫外光譜儀測量的確觀看到了波長,,,。

1914年夫蘭克和赫茲所用的是一支充***的三極管,只有陰極、加速柵極和板極。

,他們對試驗裝置進行了改進,使電子在加速區(qū)獲得高于的能量,從而測量出***原子的一系列較高的激發(fā)電位,進一步證明了原子內(nèi)部能量狀態(tài)的不連續(xù)性。

三試驗儀器復旦--夫蘭克—赫茲試驗儀,計算機等。

四試驗內(nèi)容本試驗儀器供應兩種測量方式:聯(lián)機自動測量和手動測量。

在進行測量之前,需對充***的夫蘭克-赫茲管加熱,溫度可調(diào)整。

當面板上的溫度指示燈變紅時即可調(diào)整燈絲電壓=、掌握柵電壓1==。

使用這些參數(shù)可以觀看到試驗現(xiàn)象,但不是最抱負的試驗參數(shù)。

調(diào)整各參數(shù),通過不斷對比試驗曲線的變化,可得到較抱負參數(shù)。

,,...,-,,,,,,,,,,,,,,,-,,,,,,,,,,,,云南高校物理試驗教學中心試驗報告1聯(lián)機測量1進入試驗根據(jù)夫蘭克-赫茲試驗儀面板上的電路圖進行電路連接,打開電源。

在系統(tǒng)桌面上選擇“夫蘭克-赫茲試驗數(shù)據(jù)采集程序”,雙擊鼠標左鍵運行程序。

2在主界面上先單擊“采集方式”按鈕,在彈出的“采集設置”對話框中,-欄選擇,8,10,1電流量程,一般為,欄選擇放大倍數(shù)電流放大倍數(shù),一般選擇,即不事先進行放大,如要對試驗曲線進行縱向放大,可在顯示方式中進行設置,其他項目不作更改;在主界面上單擊“顯示方式”按鈕,在彈出的“顯示方式”對話框中,放大與縮小欄中的-電壓軸顯示比例選擇1:1,-電流軸顯示比例選擇1:1,假如數(shù)據(jù)采集后圖象比較低矮,為提高電流峰的測量精度,可再選擇1:2或1:5縱向放大2或5倍。

,將“掃描選擇”調(diào)到“快掃”檔,單擊“數(shù)據(jù)采集”,進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài),“數(shù)據(jù)采集”按鈕上方消失綠色圓點,此時系統(tǒng)處于不響應狀態(tài),直到數(shù)據(jù)采集結(jié)束。

注:將“掃描選擇”調(diào)到“快掃”檔后,掃描電壓要經(jīng)過10-20才開頭發(fā)生變化,此時需急躁等待。

有時由于電壓變化不規(guī)章,或中途將“掃描選擇”調(diào)到“手動”檔,系統(tǒng)將停止響應。

此時可關(guān)閉數(shù)據(jù)采集器,待系統(tǒng)彈出對話框,提示很多據(jù)輸入時,單擊“確定”即可使系統(tǒng)恢復響應。

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,用光標單擊圖象中的任意位置即可在主界面右下角的和欄顯示該點對應的電壓和電流。

采集8個峰值用最小二乘法擬合得到***原子的第一激發(fā)電位。

2手動測量將“掃描選擇”調(diào)到“手動”檔進入手動測量模式。