弗兰克赫兹实验预习报告

《弗兰克赫兹实验预习报告》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、一、实验目的：1、玻尔原子模型理论。2、夫兰克一赫兹实验原理及方法。在本实验中，需要了解夫兰克一赫兹实验的原理和方法，测定亚原子的第一激发电位，验证原子能及的存在。1914年，弗兰克和赫兹在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。电子与汞原子碰撞吋，电子损失的能量严格地保持4.9eV,即汞原子只接收4.9eV的能量。这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。二、实验原理：2.1波尔的原子理论玻尔的原子理论指出：①原子只能处于一些不连续的能量状态E，艮，E.......,处在这些状态的原子

2、是稳定的，称为“定态其中&叫基态，E2,E3……叫激发态。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态；②原子从一个定态跃迁到另一个定态时，它将发射或吸收一定频率的电磁波。如果用瓦和仇分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定：hv=E„-En(5-1)式中:h=6.6310x-34JS-,为普朗克常量。2.2兰克一赫兹实验的原理：原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受到其他有足够能量的粒子碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能暈较高的激发态。从基态跃迁到第一激发态所需要的能量称为临界能量。原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一

3、定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换來实现。本实验就是让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为第一激发态的能量为艮，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是厶E=E2_E°初速度为零的电子在电位差为V的加速电场作用下具有能量fV,若小于eVe2-e｝时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸收相当于£的那份能量，使白己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。设使电子具有E2-E｝能量所需加速电场的电位差为Vo，贝I」eV.=E~E,(2)式中：％为汞原子的第一

4、激发电位，是本实验要测的物理量。2.3兰克一赫兹实验的方法:如图5-1,充氟气的F—H管中，电子由热阴极发出，阴极K栅极G1之间的加速电压VG1使电子加速，在板极P和栅极G2之I'可有减速电压VP。当电子通过栅极G2进入GP2图5-1夫兰克■赫兹实验原理图空间时，如果剩余能量大于PeV,就能到达极板P,极形成电流PIo电子在GG12空间与氮原子发生碰撞，电子把一部分能量给了氮原子，本身剩余的能量小于PeV,则电子不能到达板极P,如果发生这样情况的电子很多，电流表屮电流将显著下降。实验时，把VG2的电压逐渐增加，电子在GG12空间的电场作用下被加速而获得越来越大的能量。但在起始阶段，电压V

5、G2较低，电子的能量较小，即使在运动过程中与氮原子相碰撞（为弹性碰撞）也只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极G2的电子所形成的电流PI随第二栅极电压VG2的增加而增大（如图5-2oa段）。当达到氟原子的第一激发电位时，电子在第二栅极附近与氨原子相碰撞（此时产生非弹性碰撞）。电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氮原子，使氮原子从基态激发到第一激发态，而电子本身由于把全部能量传递给了氮原子，它即使穿过第二栅极，也不能克服反向拒斥电压VP而被折冋第二栅极。所以电流PI将显著减小（如图5-2ab段）。氮原子在第一激发态不稳定，会跃迁回基态，同时以光子形式向外辐射能量。以后随看第二栅极电压VG

6、2的增加，电子的能量也随之增加，与氮原子相碰撞后还留下足够的能量，这就可以克服拒斥电压VP的作用力而到达板极P,这时电流又开始上升（如图5-2be段），直到VG2是2倍氮原子的第一激发电位时，电子在GG12空间会因二次非弹性碰撞而失去能量，结果板极电流PI第二次下降。（如图5-2cd段），这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。以VG2为横坐标，以板极电流PI为纵坐标就可以得到谱峰曲线，两相邻谷点（或峰尖）间的加速电压差值，即为氮原子的笫一激发电位值。实验发现第一激发电位是个定值，这就证明了氮原子能量状态的不连续性。如图5-2夫兰克■赫兹管的IP-VG2曲线注意：第一栅极G1和阴

7、极K之间的加速电压VG1约1.5伏的电压，用于消除阴极电压散射的影响。三、实验仪器：（1）3.1技术指标（2）F-H管用电源组（3）提供F-H管各电极所需的工作电源电压和性能如下：（4）灯丝电源电压S，直流1.3〜5V,连续可调；（5）栅极G—阴极间电源电压Ve，直流，0〜6V,连续可调；（6）栅极G?—阴极间电压电源V°，直流，0-90V,连续可调；扫描电源和微电流放大器（7）扫描电源提供可调直流电压或输11!锯齿波电压作为F-H