實(shí)驗(yàn)314夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)314夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn),弗蘭克-1964和赫茲在討論中發(fā)覺電子與原子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)能量的轉(zhuǎn)移是量子化的。

他們的精確測(cè)定表明,電子與***原子碰撞時(shí),,即***。

這個(gè)事實(shí)直接證明白***原子具有玻爾所設(shè)想的那種“完全確定的、相互分立的能量狀態(tài)”,是對(duì)玻爾的原子量子化模型的第一個(gè)打算性的證據(jù)。

由于他們的工作對(duì)原子物理學(xué)的進(jìn)展起了重要作用,因此共同獲得了1925年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在本試驗(yàn)中可觀測(cè)到電子與***蒸汽原子碰撞時(shí)的能量轉(zhuǎn)移的量子化現(xiàn)象,測(cè)量***原子的第一激發(fā)電位,從而加深對(duì)原子能級(jí)概念的理解。

【試驗(yàn)?zāi)康摹?通過測(cè)量氬原子的第一激發(fā)電位,證明原子內(nèi)部量子化能級(jí)的存在。

2了解在討論原子內(nèi)部能量量子化問題時(shí)所使用的基本方法。

3了解電子與原子碰撞和能量交換過程的微觀圖像,以及影響這個(gè)過程的主要物理因素。

【試驗(yàn)儀器】-型夫蘭克-赫茲試驗(yàn)儀、雙蹤示波器。

儀器面板說(shuō)明如圖3-61所示。

圖3-61儀器面板示意圖1電流顯示:顯示電流相應(yīng)的倍率2電壓顯示:顯示、、各電壓值123電壓顯示:顯示、各電壓值手動(dòng)與自動(dòng)226高校物理試驗(yàn)4夫蘭克-赫茲管試驗(yàn)電路圖:夫蘭克-赫茲管試驗(yàn)電路圖5電源輸出端:儀器電源輸出插孔-6-96陽(yáng)極電流測(cè)量倍率轉(zhuǎn)換:微電流倍率選擇10,107示波器接口、輸出:測(cè)量方式轉(zhuǎn)換:手動(dòng)擋測(cè)量與自動(dòng)擋進(jìn)行示波器觀看波形調(diào)整旋鈕9各電源電壓調(diào)整旋鈕:、、、、調(diào)整旋鈕12210電壓測(cè)量轉(zhuǎn)換:、、電壓測(cè)量轉(zhuǎn)換1211電壓測(cè)量轉(zhuǎn)換:、電壓測(cè)量轉(zhuǎn)換2夫蘭克-赫茲管供電電壓0,拒斥電壓0,加速電壓點(diǎn)測(cè)法:0,:0,50燈絲電壓0,【試驗(yàn)原理】玻爾原子理論的兩個(gè)基本假設(shè)為:1原子只能較長(zhǎng)期地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài),簡(jiǎn)稱“定態(tài)”,原子處于這些狀態(tài)時(shí)不放射也不汲取能量,各定態(tài)的能量是彼此分隔的。

原子的能量不論通過什么方式發(fā)生轉(zhuǎn)變,只能使原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài);2原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)而放射或汲取輻射能量時(shí),輻射的頻率是肯定的。

假如用和代表有關(guān)二定態(tài)的能量,輻射的頻率,打算于如下關(guān)系,,,式中為普朗克常量。

原子狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,通常發(fā)生于原子本身汲取或放射電磁輻射,以及原子與其他粒子發(fā)生碰撞而交換能量這兩種狀況。

能夠掌握原子所處狀態(tài)的最便利的方法是用電子轟擊原子,電子的動(dòng)能可通過轉(zhuǎn)變加速電位的方法加以調(diào)整。

電子被加速后獲得能量,是電子電量,是加速電壓。

當(dāng)值小時(shí),電子與原子只能發(fā)生彈性碰撞;當(dāng)電位差為時(shí),電子具有的能量恰好使原子從正常狀態(tài)躍遷到第一激發(fā)狀態(tài),就稱為第一激發(fā)電位。

連續(xù)增加電位差時(shí),電子的能量就漸漸上升到足以使原子躍遷到更高的激發(fā)態(tài)其次,第三……,最終電位差達(dá)到某一值時(shí),電子的能量剛足以使原子電離,就稱為電離電位。

試驗(yàn)儀所用的夫蘭克-赫茲管是一只充氬氣的四極管,各電極的符號(hào)、引出線及各電壓的關(guān)系如圖3-62所示:燈絲加熱使其放射電子,掌握通過的電子數(shù)目,加速112電子,空間較大,供應(yīng)足夠的碰撞概率,,加一扼止電壓,使失去動(dòng)能2的電子不能到達(dá)。

第一柵壓與陰極之間加上約圖3-,2的電壓,其作用是消退空間電荷對(duì)陰極散射電子的影響。

給燈絲加熱時(shí),陰極的氧化層即放射電子,在間的電場(chǎng)作用下被加速而取得2越來(lái)越大的能量。

但起始階段,由于電壓較低,電子的能量較小,即使在運(yùn)動(dòng)過程中它2與原子相碰撞為彈性碰撞,也只有微小的能量較換。

這樣,穿過其次柵極的電子所形成的極流將隨的增加而增大見圖3-63中段。

2當(dāng)達(dá)到氬原子的第一激發(fā)電位時(shí),電子在其次柵極四周與氬原子碰撞此時(shí)產(chǎn)生非2彈性碰撞,電子把從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量傳遞給氬原子,使氬原子從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài),而電子本身由于把全部能量傳遞給了氬原子,所以電子即使能穿過其次柵極,也不能完全克服反向拒斥電場(chǎng)而部分被拆回其次柵極。

所以板極電流將顯著減小如圖3-63的段,以后隨著其次柵極電壓的增加,電子的能量也隨之增加,電子與氬原子相2碰撞后還留下足夠能量,這就可以克服拒斥電場(chǎng)的作用力而到達(dá)板極,這時(shí)電流又開頭上升如圖3-63的段,直到是氬原子的第一激發(fā)電位的2倍時(shí),電子在2間又2會(huì)因其次次非彈性碰撞而失去能量,因而造成其次次板極電流的下降如圖3-63的段,這種能量轉(zhuǎn)移隨著加速電壓的增加而呈周期性的變化。

圖3-63若以為橫坐標(biāo),以板極電流為縱坐標(biāo)就可以得到相應(yīng)的譜峰曲線,兩相鄰谷點(diǎn)2或峰尖間的加速電壓差值,即為氬原子的第一激發(fā)電位值。

這個(gè)試驗(yàn)說(shuō)明白夫蘭克-赫茲管內(nèi)的緩慢電子與氬原子碰撞,使原子從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí),通過測(cè)量氬的第一激發(fā)電位值,證明波爾-原子能級(jí)的存在。

【試驗(yàn)內(nèi)容及步驟】測(cè)繪-管,曲線,確定氬原子的第一激發(fā)電位。

21試驗(yàn)前將全部旋鈕逆時(shí)針旋究竟。

2將儀器面板上的“電源輸出端”輸出插孔和“夫蘭克-赫茲管功能端”輸入插孔根據(jù)電路圖接好。

3插上電源,將電源開關(guān)置于“”位置,數(shù)字表發(fā)光,表明電源已接通,將儀器預(yù)熱5分鐘。

4將“手動(dòng)-自動(dòng)”開關(guān)置于“手動(dòng)”擋,逆時(shí)針將“掃描調(diào)整”旋鈕旋究竟。

5將“、、電壓測(cè)量轉(zhuǎn)換開關(guān)”置“”擋,。

6將“、、電壓測(cè)量轉(zhuǎn)換開關(guān)”置“”檔,。

17將“、、電壓測(cè)量轉(zhuǎn)換開關(guān)”置“”檔,。

28將“電壓顯示切換”開關(guān)置于“”檔,調(diào)整“”旋鈕,,22即陰極至其次柵極電壓加速電壓為0手動(dòng)方式建議采納的各電壓值::,2:2,:。

129緩慢調(diào)整“”旋鈕,同時(shí)觀看電流表指示數(shù)值的變化。

隨著加速電壓22,9的增加,電流表的指示值消失周期性的峰值和谷值倍率從10開頭做起,當(dāng)電流表數(shù)值溢出時(shí),切換到下一倍率檔。

記錄相應(yīng)的電壓值和電流值,作出以電壓22為橫坐標(biāo),電流為縱坐標(biāo)的譜峰曲線。

電流表指示的數(shù)值單位為安培,乘以倍率之后才是電流的值。

10適當(dāng)轉(zhuǎn)變燈絲電壓,重復(fù)上述操作,記錄相應(yīng)數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理描繪譜峰數(shù)不少于5個(gè)。

11進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量時(shí),需將“手動(dòng)-自動(dòng)”開關(guān)置于“自動(dòng)”檔,同時(shí)將“”旋鈕2,8逆時(shí)針旋究竟,將“倍率轉(zhuǎn)換”置于“10”檔,并將“”掃描調(diào)整旋鈕逆時(shí)針旋到底。

將面板上的‘輸出’接到示波器的過大,引起放大器失真,應(yīng)當(dāng)馬上減小燈絲電壓。

自動(dòng)方式建議采納的各電壓值::,:“1”通道上,再將面板上的“1輸出”接到示波器的“2”通道上,將示波器置“-”方式,順時(shí)針調(diào)整“”掃描調(diào)整旋鈕,觀看示波器上消失的相應(yīng)的譜線,假如發(fā)覺波形上端切頂,則表明陽(yáng)極電流