大學(xué)物理實驗講義實驗01弗蘭克赫茲實驗

1、實驗 06 弗蘭克 -赫茲實驗1913 年，丹麥物理學(xué)家玻爾（ N Bohr ）提出了一個氫原子模型，并指出原子存在能級。該模型在預(yù)言氫光譜的觀察中取得了顯著的成功。根據(jù)玻爾的原子理論，原子光譜中的每根譜線表示原子從某一個較高能態(tài)向另一個較低能態(tài)躍遷時的輻射。1914 年，德國物理學(xué)家夫蘭克（J Franck ）和赫茲（G Hertz ）對勒納用來測量電離電位的實驗裝置作了改進，他們同樣采取慢電子（幾個到幾十個電子伏特）與單元素氣體原子碰撞的辦法，但著重觀察碰撞后電子發(fā)生什么變化（勒納則觀察碰撞后離子流的情況）。通過實驗測量， 電子和原子碰撞時會交換某一定值的能量，且可以使原子從低能級激發(fā)到高

2、能級。 直接證明了原子發(fā)生躍變時吸收和發(fā)射的能量是分立的、不連續(xù)的， 證明了原子能級的存在，從而證明了玻爾理論的正確。由而獲得了1925年諾貝爾物理學(xué)獎金。夫蘭克一赫茲實驗至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一，實驗中用的 “拒斥電壓” 篩去小能量電子的方法，己成為廣泛應(yīng)用的實驗技術(shù)。【實驗?zāi)康摹客ㄟ^測定氬原子等元素的第一激發(fā)電位（即中肯電位），證明原子能級的存在?！緝x器用具】ZKY-FH-2型智能夫蘭克-赫茲實驗儀、SS7802 型雙綜示波器【實驗原理】1關(guān)于激發(fā)電位：玻爾提出的原子理論指出：（ 1）原子只能較長地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（簡稱為定態(tài)） 。原子在這些狀態(tài)時，不發(fā)射或吸收能量：各定態(tài)有一

3、定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的能量不論通過什么方式發(fā)生改變，它只能從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)。（ 2）原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時，輻射頻率是一定的。如果用 Em 和 En 分別代表有關(guān)兩定態(tài)的能量的話，輻射的頻率決定于如下關(guān)系：hEmEn（ 1 ）式中，普朗克常數(shù) h = 6 63 ×10- 34 J·sec 。為了使原子從低能級向高能級躍遷，可以通過具有一定能量的電子與原子相碰撞進行能量交換的辦法來實現(xiàn)。UeU 。當(dāng)具有這種能設(shè)初速度為零的電子在電位差為的加速電場作用下，獲得能量00量的電子與稀薄氣體的原子（比如十幾個乇的氬原子）發(fā)生碰撞時，就

4、會發(fā)生能量交換。如以 E代表氬原子的基態(tài)能量、E 代表氬原子的第一激發(fā)態(tài)能量，那么當(dāng)氬原于吸收從電子12傳遞來的能量恰好為eU = E E（2 ）021時，氬原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。而且相應(yīng)的電位差稱為氬的第一激發(fā)電位（或稱氬的中肯電位）。測定出這個電位差U0，就可以根據(jù)（ 2）式求出氬原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差了（其他元素氣體原子的第一激發(fā)電位亦可依此法求得）。夫蘭克一赫茲實驗的原理圖如圖一所示。在充氬的夫蘭克一赫茲管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極K 和第二柵極 G之間的加速電壓 U使電子加速。在板極 A 和第二柵極 G 之間加有反向拒斥電壓2G2K2U 。管內(nèi)空間電位分布如圖二

5、所示。當(dāng)電子通過KG 2空間進入 GA2空間時，如果有較大G2Ae的能量（ UG2A ），就能沖過反向拒斥電場而到達板極形成板流，為微電流計A 表檢出。如果電子在KG 2 空間與氬原子碰撞，把自己一部分能量傳給氬原子而使后者激發(fā)的話，電子本身所剩余的能量就很小，以致通過第二柵極后已不足于克服拒斥電場而被折回到第二柵極，這時，通過微電流計A 表的電流將顯著減小。實驗時，使U GK2 電壓逐漸增加并仔細觀察電流計的電流指示，如果原子能級確實存在，而且基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間有確定的能量差的話，就能觀察到如圖三所示的IAUGK2曲線。圖三所示的曲線反映了氬原子在 KG 2 空間與電子進行能量交換的情況。

6、當(dāng)KG 2空間電壓逐漸增加時，電子在KG 2空間被加速而取得越來越大的能量。但起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，即使在運動過程中它與原子相碰撞也只有微小的能量交換（為彈性碰撞）。穿過第二柵極的電子所形成的板流 IA 將隨第二柵極電壓原子的第一激發(fā)電位UoU GK2的增加而增大（如圖三的oa 段）。當(dāng) KG 2 間的電壓達到氬時，電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞，將自己從加速電場中獲得的全部能量交給后者，并且使后者從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)。而電子本身由于把全部能量給了氬原子， 即使穿過了第二柵極也不能克服反向拒斥電場而被折回第二柵極（被篩選掉）。所以板極電流將顯著減小（圖三所示ab 段）隨著

7、第二柵極電壓的增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場而達到板極A ，這時電流又開始上升（bc 段）。直到KG 2 間電壓是二倍氬原子的第一激發(fā)電位時，電子在KG 2 間又會因二次碰撞而失去能量，因而又會造成第二次板極電流的下降（cd 段），同理，凡在U n U （ n 1，2， 3 ?）（ 3）GK2o的地方板極電流IA 都會相應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏變化的I A UGK2 曲線。而各次板極電流I A下降相對應(yīng)的陰、柵極電壓差U n+ 1 一 U n 應(yīng)該是氬原子的第一激發(fā)電位Uo。本實驗就是要通過實際測量來證實原子能級的存在，并測出氬原子的第一激發(fā)電

8、位（公認值為 U o 11.5V）。原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。在實驗中被慢電子轟擊到第一激發(fā)態(tài)的原子要跳回基態(tài)，進行這種反躍遷時，就應(yīng)該有e U o 電子伏特的能量發(fā)射出來。反躍遷時，原子是以放出光量子的形式向外輻射能量。這種光輻射的波長為eUo hhc（ 4）對于氬原子hc6.63 10 343.00 10 8m 1081 ?eU o1.6 10 1911.5如果夫蘭克一赫茲管中充以其他元素，則可以得到它們的第一激發(fā)電位（表一）表一幾種元素的第一激發(fā)電位元素納（ Na ）鉀（ K）鋰（ Li ）鎂（ Mg ）汞 (Hg)氦（ He ）氖（ Ne ）U0（V）2.121.631.843.24.

9、921.218.6(?)589876646707.845712500584.3640.258967699【儀器介紹】1. ZKY-FH-2 型智能夫蘭克 -赫茲實驗儀前后面板說明1.1 、夫蘭克赫茲實驗儀前面板如下圖所示，以功能劃分為八個區(qū)：區(qū) 1是夫蘭克- 赫茲管各輸入電壓連接插孔和板極電流輸出插座；區(qū) 2是夫蘭克- 赫茲管所需激勵電壓的輸出連接插孔，其中左側(cè)輸出孔為正極，右側(cè)為負極；區(qū) 3是測試電流指示區(qū)：四位七段數(shù)碼管指示電流值；四個電流量程檔位選擇按鍵用于選擇不同的最大電流量程檔；每一個量程選擇同時備有一個選擇指示燈指示當(dāng)前電流量程檔位；區(qū) 4是測試電壓指示區(qū)：四位七段數(shù)碼管指示當(dāng)前選

10、擇電壓源的電壓值；四個電壓源選擇按鍵用于選擇不同的電壓源； 每一個電壓源選擇都備有一個選擇指示燈指示當(dāng)前選擇的電壓源；區(qū) 5是測試信號輸入輸出區(qū)：電流輸入插座輸入夫蘭克- 赫茲管板極電流；信號輸出和同步輸出插座可將信號送示波器顯示；區(qū) 6是調(diào)整按鍵區(qū)，用于：改變當(dāng)前電壓源電壓設(shè)定值；設(shè)置查詢電壓點；區(qū) 7是工作狀態(tài)指示區(qū)：通信指示燈指示實驗儀與計算機的通信狀態(tài)；啟動按鍵與工作方式按鍵共同完成多種操作；區(qū) 8是電源開關(guān)：1.2 夫蘭克赫茲實驗儀后面板說明夫蘭克赫茲實驗儀后面板上有交流電源插座，插座上自帶有保險管座；如果實驗儀已升級為微機型, 則通信插座可聯(lián)計算機，否則，該插座不可使用。2、基本操

11、作：2.1 、夫蘭克赫茲實驗儀連線說明在確認供電電網(wǎng)電壓無誤后，將隨機提供的電源連線插入后面板的電源插座中。2.2 、開機后的初始狀態(tài)開機后，實驗儀面板狀態(tài)顯示如下：實驗儀的“1mA ”電流檔位指示燈亮，表明此時電流的量程為1mA檔；電流顯示值為000.0A(若最后一位不為0，屬正常現(xiàn)象)；實驗儀的“燈絲電壓”檔位指示燈亮，表明此時修改的電壓為燈絲電壓；電壓顯示值為000.0V ；最后一位在閃動，表明現(xiàn)在修改位為最后一位；“手動”指示燈亮，表明此時實驗操作方式為手動操作。2.3 變換電流量程如果想變換電流量程，則按下在區(qū) <3> 中的相應(yīng)電流量程按鍵，對應(yīng)的量程指示燈點亮，同時電流

12、指示的小數(shù)點位置隨之改變，表明量程已變換。2.4 變換電壓源如果想變換不同的電壓， 則按下在區(qū) <4> 中的相應(yīng)電壓源按鍵， 對應(yīng)的電壓源指示燈隨之點亮，表明電壓源變換選擇已完成，可以對選擇的電壓源進行電壓值設(shè)定和修改。2.5 修改電壓值按下前面板區(qū)<6> 上的 / 鍵，當(dāng)前電壓的修改位將進行循環(huán)移動，同時閃動位隨之改變，以提示目前修改的電壓位置。按下面板上的/ 鍵，電壓值在當(dāng)前修改位遞增/ 遞減一個增量單位。注意 ：如果當(dāng)前電壓值加上一個單位電壓值的和值超過了允許輸出的最大電壓值，再按下鍵，電壓值只能修改為最大電壓值。如果當(dāng)前電壓值減去一個單位電壓值的差值小于零，再按

13、下鍵，電壓值只能修改為零?！緦嶒瀮?nèi)容與要求】儀器調(diào)試與觀察IAUG2K 曲線1準備（ 1）熟悉實驗裝置結(jié)構(gòu)和使用方法。（ 2 ）按照實驗要求連接實驗線路，檢查無誤后開機。（ 3）示波器連接與設(shè)置：1將 F-H 實驗儀的信號輸出端、同步輸出端，分別接示波器CH 1和 EXT.TRIG端；打開電源。2調(diào)節(jié)垂直 SCALE旋鈕，使顯示屏左下角指示CH1通道靈敏度約為100mV 500mV/div。3調(diào)節(jié)水平SCALE 旋鈕，使顯示屏右下角指示Time 約為 200 S。4. 待信號輸入（測試開始）調(diào)節(jié)垂直POSITION 旋鈕，使波形居中。5待信號輸入（測試開始）后，微調(diào)觸發(fā)電平LEVEL 旋鈕，使

14、波形清晰、穩(wěn)定。（ 4）開機后的初始狀態(tài)。開機后，實驗儀面板狀態(tài)顯示如下1實驗儀的“ l mA ”電流檔位指示燈亮，表明此時電流的量程為1mA 檔；電流顯示值 000.0 A ；2實驗儀的“燈絲電壓”檔位指示燈亮，表明此時修改的電壓為燈絲電壓；電壓顯示值為 000.0V ；最后一位在閃動，表明現(xiàn)在修改位為最后一位；3“手動”指示燈亮，表明儀器工作正常。2氬元素的第一激發(fā)電位測量（ 1 ）手動測試下面是用智能夫蘭克一赫茲實驗儀實驗主機單獨完成夫蘭克一赫茲實驗。a、設(shè)置儀器為“手動”工作狀態(tài)，按“手動/自動”鍵，“手動”指示燈亮。b、設(shè)定電流量程按下電流量程10 A 鍵，對應(yīng)的量程指示燈點亮。c、

15、設(shè)定電壓源的電壓值，用 / ， 鍵完成， 需設(shè)定的電壓源有：燈絲電壓 V F、第一加速電壓V G1K 、拒斥電壓 V G2A。設(shè)定狀態(tài)參見隨機提供的工作條件（見機箱）。d、按下“啟動”鍵，實驗開始。用/ ， 鍵 完成 V G2K 電壓值的調(diào)節(jié)，從 0.0V起，按步長1V（或 0.5V ）的電壓值調(diào)節(jié)電壓源V G2K ，仔細觀察夫蘭克一赫茲管的板極電流值I A的變化（可用示波器觀察），讀出 IA 的峰、谷值和對應(yīng)的V G2K 值。（一般取 IA 的谷在4 一 5個為佳）。e、重新啟動在手動測試的過程中，按下啟動按鍵，VG2K的電壓值將被設(shè)置為零，內(nèi)部存儲的測試數(shù)據(jù)被清除，示波器上顯示的波形被清除

16、，但V 、 V、V、電流檔位等FG1KG2A的狀態(tài)不發(fā)生改變。這時，操作者可以在該狀態(tài)下重新進行測試，或修改狀態(tài)后再進行測試。（ 2）自動測試智能夫蘭克一赫茲實驗儀除可以進行手動測試外， 還可以進行自動測試。 進行自動測試時，實驗儀將自動產(chǎn)生 V G2K 掃描電壓，完成整個測試過程；將示波器與實驗儀相連接，在示波器上可看到夫蘭克一赫茲管板極電流隨VG2K電壓變化的波形。a、自動測試狀態(tài)設(shè)置自動測試時 V F、 V G1K 、 VG2A 及電流檔位等狀態(tài)設(shè)置的操作過程，夫蘭克一赫茲管的連線操作過程與手動測試操作過程一樣。b、 V G2K 掃描終止電壓的設(shè)定V G2K 掃描電壓。實驗儀默認V G2

17、K 掃描電進行自動測試時，實驗儀將自動產(chǎn)生壓的初始值為零， VG2K掃描電壓大約每0 4 秒遞增0 2 伏。直到掃描終止電壓。要進行自動測試，必須設(shè)置電壓V G2K 的掃描終止電壓。首先，將“手動自動”測試鍵按下，自動測試指示燈亮；按下V G2K 電壓源選擇鍵，V G2K電壓源選擇指示燈亮；用/， 鍵完成 V G2K 電壓值的具體設(shè)定。V G2K 設(shè)定終止值建議以不超過8 0V為好。c、自動測試啟動將電壓源選擇選為V G2K ，再按面板上的“啟動”鍵，自動測試開始。在自動測試過程中，觀察掃描電壓VG2K 與夫蘭克一赫茲管板極電流的相關(guān)變化情況。 (可通過示波器觀察夫蘭克一赫茲管板極電流IA 隨

18、掃描電壓 VG2K 變化的輸出波形）在自動測試過程中，為避免面板按鍵誤操作，導(dǎo)致自動測試失敗，面板上除“手動自動”按鍵外的所有按鍵都被屏蔽禁止。d、自動測試過程正常結(jié)束當(dāng)掃描電壓 V G2K 的電壓值大于設(shè)定的測試終止電壓值后，實驗儀將自動結(jié)束本次自動測試過程，進入數(shù)據(jù)查詢工作狀態(tài)。測試數(shù)據(jù)保留在實驗儀主機的存貯器中， 供數(shù)據(jù)查詢過程使用， 所以，示波器仍可觀測到本次測試數(shù)據(jù)所形成的波形。直到下次測試開始時才刷新存貯器的內(nèi)容。e、自動測試后的數(shù)據(jù)查詢自動測試過程正常結(jié)束后，實驗儀進入數(shù)據(jù)查詢工作狀態(tài)。這時面板按鍵除測試電流指示區(qū)外，其他都己開啟。自動測試指示燈亮，電流量程指示燈指示于本次測試的電流量程選擇檔位；各電壓源選擇按鍵可選擇各電壓源的電壓值指示，其中V F、V G1K 、V G2A 三電壓源只能顯示原設(shè)定電壓值，不能通過按鍵改變相應(yīng)的電壓值。用/ ， 鍵改變電壓源V G2K 的指示值，就可查閱到在本次測試