赫兹实验的研究

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1、2实验原理及方案2.1跃迁原理根据波尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一个定态相应一定的能量常称为能级，其数值彼此分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子。然而，原子若与一定能量的电子发生碰撞，也可以使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克一赫兹实验止是利用电子和原子的碰撞来实现这种跃迁。通过控制加速电压〃，来控制电子的动能-mV2,当2eU=^mV2=Etl-2式中Em,En表示碰撞前•后能级的能量，V,/指碰撞询后电子的速度。如果m=O,n=l,跃迁到第一激发态；如果2

2、激发态；如果"Ta，此时原子被电离。2.2汞原子的能级结构木F—H实验使川的碰撞管是充汞的，因为汞是单原子分子，能级较为简单。汞原子是由原子核和核外80个电子组成的，在满的支売外有两个价电子，在正常情况卜，这两个电子都处于6s态，所以它的基态组态为6s?及基态的LS组态为'Soo处于激发态时,一个6s电子可能被激发到较高的6中门6巾（）

3、2，6'Dp63D123,6〒i，6^234,等能量状态，甚至电离，而另一个电子仍留在6s态。H汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸汽压很低，加热就可改变它的饱和蒸汽压

4、，汞的原子量较大与电子作弹性碰撞时，电子损失的能量极小，且电止性的汞也不容易和电子亲和而形成负离子，可以用來研究电子和原子碰撞的规律。2.3充汞的夫兰克一赫兹管的内部原理充汞的夫兰克一赫兹管如图2所示。电子由热阴极发出，在整个实验过程中，阴极K和第一栅极G

5、Z间为加速区，第一栅极G】和第二栅极G2为碰撞区（测第一激发电位同时也是加速区）,第二栅极G?和极板A为反向区。管内的总体电位如图3所示。当电子通过KG?空间进入G?K空间时，如果有较大的能量（PeV反）时，就能冲向反向拒斥电压而达到极板形成电流，为微流计u

6、A表测出，如杲电子在碰撞区与汞原子碰撞，把自己的一部分能量传给汞原子，而使汞原子激发，这样电子木身所剩的能量就减小，以至于通过第二栅极后不足于克服拒斥电场而被斥冋到第二栅极，这时微流计uA表的电流将显著减小，山汞原子的能级特点决定电流呈规律性的变化。B2FH-1充亲夫兰克-号兹管S3夫兰克内电位分布2.4测汞的第一激发态电位的原理测汞的第一激发态电位的电路图如图4所示，第一栅极G.的作用主要是消除空间电荷对阴极发射电子的影响。图5所示的曲线反映了汞原子在KG?空间与电子进行能量交换的情况。当KG2空间电压逐渐增

7、加时，电子在KG2空间被加速而取得越來越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能杲较少，即使在运动过程中它与原子和碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）。穿过第二栅极的电子所形成的板极电流乙将随第二栅极电压％2k的增加而增大（如图5的Oa段）。当G2K间的电压达到汞原子的第一激发电位“0时，电子在第二栅极附近与汞原子相碰撞，将自（2从加速电场中获得的全部能量交给后者，并II使后者从基态激发到第一激发态。而电子木身由于把全部能量给了汞原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回第二栅极（被筛选掉）。

8、所以板极电流将显著减小（图5所示段）。随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随Z增加，在与汞原子相碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极力，这时电流又开始上升（加段）。直到G2K间电压是二倍汞原子的第一激发电位时，电子在G2K间又会因二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降（cd段），同理，凡&K之间电圧满足：Ug2K=5（〃=1,2,3,…）时板极电流匚都会相应下跌，形成规则起伏变化的lA-UG2K曲线。而各次板极电流匚达到峰值时相对应的加速电压差t/n+1-un,即两相邻峰值之

9、间的加速电压差值就是汞原了的第一激发电位值匕）。.r!GiAVfT*11.1

10、逐•G2■S4测量汞原子第一谥发电位的电路UmA)2.5测汞的较高激发态电位的原理在测汞的第一激发态电位的实验中，电子一般很难达到超过4.9eV的能量。所以它只能用于测量汞原子的第一激发能。如何在管中实现较高能级的激发呢?首先要获得较高能量的电子，其次要提高电子在碰撞区内与原子碰撞的几率。在加速区中，由于路径短，能有较多的电子不与汞原子发牛碰撞，这样电子进入碰撞区时能有高于4.9eV的能量。为了捉高电子在碰撞区内与原子碰撞的儿率，在设

11、计时，使第一栅极G与第二栅极G2的间距大于电子的平均自由程，实验时，把它们连在一起，形成一个等势区。图6给出测量的电路图，等势区内的电场梯度为碰撞区的补偿电位。市此电路图所得的碰撞的能量交换的曲线如图7所示。碰撞和能量交换过程，以及板极电流的形成与第一激发态的过程相似，只是图中显示有多个峰和谷，冃人小不一，间距不等，这与笫一激发态的规律不同。这是因为这些峰，可能是较高能暈的电子为汞原子