夫蘭克-赫茲實驗.ppt

1、夫蘭克-赫茲實驗,物理與電子學院,實 驗 目 的,1. 本實驗通過測定汞原子的第一激發(fā)電位證明原子能級的存在，了解夫蘭克和赫茲研究原子內部能量量子化的基本思想和方法。 2.了解電子與原子碰撞和能量交換過程的微觀圖像,湯姆孫布丁模型,盧瑟福有核模型,原子穩(wěn)定大小 分立線狀光譜,玻 爾 假 設,1. 定態(tài)假設,2. 頻率規(guī)則,粒子散射實驗,玻爾提出的原子理論兩個基本假設： 原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)，簡稱“定態(tài)”。原子在這些狀態(tài)時不發(fā)射也不吸收能量，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)生改變，只能使原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài),原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)而發(fā)射或吸收

2、輻射能量時，輻射的頻率是一定的如果用 Em 和 En 代表有關二定態(tài)的能量，輻射的頻率決定于如下關系,圖1 能級圖,在玻爾提出原子結構的量子理論后，夫蘭克和赫茲在1914年在用慢電子轟擊稀薄氣體原子做原子電離電位測定時，發(fā)現(xiàn)原子的激發(fā)能態(tài)和量子化的吸收現(xiàn)象，并觀察到原子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時輻射出的光譜線，從而直接證明了玻爾原子結構的量子理論，為此他們獲得了1925年的諾貝爾物理獎,電子與原子的相互作用,1 親和,e+AA,2 電子與原子的碰撞,激發(fā),當電子的能量較大時，原子得到一定的能量，從能量較低的狀態(tài)躍遷至能量高的狀態(tài),激發(fā)能,電離：當電子的能量足夠大時，可使原子的價電子 脫離束縛而電離，

3、即,復合：正離子與慢速運動的電子碰撞時，可以與電子復合而成為中性原子,光電效應：處于激發(fā)態(tài)的原子退激時，輻射出光量子hv，這些光量子打到極板時會發(fā)生光電效應，從金屬極板中打出速度為的電子,實 驗 目 的,1. 本實驗通過測定汞原子的第一激發(fā)電位證明原子能級的存在，了解夫蘭克和赫茲研究原子內部能量量子化的基本思想和方法。 2.了解電子與原子碰撞和能量交換過程的微觀圖像,實驗設計思想,原子狀態(tài)的改變 ： 1 原子本身吸收或發(fā)射電磁輻射 2 原子與其它粒子發(fā)生碰撞而交換能量,電子轟擊原子: 電子的動能eU可以利用改變加速電壓的方 法隨意控制,由玻爾理論可知，處于正常狀態(tài)的原子發(fā)生狀態(tài)改變時，它所需要

4、的能量不能少于該原子從正常狀態(tài)躍遷到第一受激態(tài)時所需要的能量，這個能量稱為臨界能量。當電子與原子碰撞時，如果電子能量小于臨界能量，則發(fā)生彈性碰撞，原子不能吸收電子的能量，電子碰撞原子前后的能量幾乎不變，而只改變運動方向。如果電子能量大于臨界能量，則發(fā)生非彈性碰撞，這時電子給予原子躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需要的能量，其余的能量仍由電子保留,夫蘭克-赫茲管,熱陰極K,柵極G,板極A,圖2 實 驗 原 理 圖,圖3 IA-UGK 曲線,a,圖4 F-H實驗裝置面板圖,溫度計,F-H管,柵壓調節(jié),電壓表,電流表,柵壓選擇,工作狀態(tài),實 驗 內 容,手動測量汞原子的I-U曲線，每變化一定電壓測量一個點，（在電

5、流突變點附近增加測試點）采集數(shù)據(jù)作圖，標出波峰值對應的電壓值，計算出汞原子的平均第一激發(fā)電位,實驗步驟,1預熱和調整,將裝有充汞F-H管的溫控加熱爐接通電源，選擇一定的爐溫（由實驗室定），調好溫控旋鈕，預熱1530分鐘，以得到合適的汞蒸汽密度。 同時接通微電流測量放大器電源，進行預熱。將儀器的“柵壓選擇”開關撥向“DC”然后將“柵極電壓UKG”旋鈕逆時針旋至最小， 待預熱20分鐘后，將“工作狀態(tài)”撥向“R（激發(fā)）”，對電流表進行“零點”和“滿度”校準。調零與滿度之間略有牽連，故需反復調節(jié),2測量汞原子的第一激發(fā)電勢U0,將“工作狀態(tài)”開關撥向“R(激發(fā))”，再調節(jié)加熱爐的溫控開關，使爐溫升至1

6、80，待其穩(wěn)定后，即可進行激發(fā)電勢測量。 2) 先進行全面觀察。暫將“倍率”撥到10-6或10-5檔，緩慢增加UGK的值，全面觀察一次IA的變化情況。注意要及時更換倍率以適應電流變化。 測量IA-UGK曲線。使UGK從零起緩慢增加，記錄下電流IA及對應UGK的電壓值，特別地，應認真找到并讀出IA的峰谷值及對應的各個UGK值，為便于作圖，在各峰谷值附近應多測幾個點。 分別改變爐溫（如170、200）或（稍許）改變拒斥電壓的大小，再測幾條IA-UGK曲線的影響,注 意 事 項,1. 在測量過程中，當IA迅速增大時或F-H管出現(xiàn) 強 烈藍光時，要立即減小UGK至零。 2. 加熱爐外殼溫度較高，注意避免灼傷。 3. 由于爐內溫度場不均勻，溫度計的水銀泡必須與F-H管的柵陰極中段相齊。 4. 實驗完畢，須將“柵壓選擇”和“工作狀態(tài)”開關置“0”，“柵壓調節(jié)”旋至最小，暫不拆除K、H、G連接線，不要切斷微電流放大器的電源。應先切斷加熱爐電源，待溫度