弗蘭克赫茲實驗

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1、弗蘭克－赫茲實驗1．實驗目的（1）用實驗的方法測定汞或氬原子的第一激發(fā)電位，從而證明原子分立態(tài)的存在；（2）練習使用微機控制的實驗數據采集系統(tǒng)。2．實驗原理根據玻爾的原子模型理論，原子是由原子核和以核為中心沿各種不同軌道運動的一些電子構成的。對于不同的原子，這些軌道上的電子束分布各不相同。一定軌道上的電子具有一定的能量。當同一原子的電子從低能量的軌道躍遷到較高能量的軌道時，原子就處于受激狀態(tài)。若軌道1為正常態(tài)，則較高能量的2和3依次稱為第一受激態(tài)和第二受激態(tài)，等等。但是原子所處能量狀態(tài)并不是任意的，而是受到玻爾理論的兩個基本假設的制約：（1）定態(tài)假設。原子只能處在穩(wěn)定狀態(tài)

2、中，其中每一狀態(tài)相應于一定的能量值Ei（i＝1，2，3，…），這些能量值是彼此分立的，不連續(xù)的。（2）頻率定則。當原子從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時，就吸收或放出一定頻率的電磁輻射。頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)之間的能量差，并滿足如下關系：其中稱作普朗克常數。原子狀態(tài)的改變通常在兩種情況下發(fā)生，一是當原子本身吸收或放出電磁輻射時，二是當原子與其他粒子發(fā)生碰撞而交換能量時。本實驗就是利用具有一定能量的電子與汞原子相碰撞而發(fā)生能量交換來實現汞原子狀態(tài)的改變。由玻爾理論可知，處于基態(tài)的原子發(fā)生狀態(tài)改變時，其所需能量不能小于該原子從基態(tài)躍遷到第一受激態(tài)時所需的能量，這個能

3、量稱作臨界能量。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；若電子能量大于臨界能量，則發(fā)生非彈性碰撞。這時，電子給予原子以躍遷到第一受激態(tài)時所需要的能量，其余能量仍由電子保留。一般情況下，原子在受激態(tài)所處的時間不會太長，短時間后會回到基態(tài)，并以電磁輻射的形式釋放出所獲得的能量。其頻率υ滿足下式式中為汞原子的第一激發(fā)電位。所以當電子的能量等于或大于第一激發(fā)能時，原子就開始發(fā)光。弗蘭克－赫茲實驗的原理可用圖來說明。其中弗蘭克－赫茲管是一個具有雙柵極結構的柱面型充汞四極管。第一柵極的作用主要是消除空間電荷對陰極電子發(fā)射的影響提高發(fā)射效率。第一柵極與陰極K之間的

4、電位差由電源提供。電源加熱燈絲FF，使旁熱式陰極K被加熱，從而產生慢電子。掃描電源加在柵極和陰極K之間，建立一個加速場，使得從陰極發(fā)出的電子被加速，穿過管內汞蒸汽朝柵極運動。由于陰極到柵極之間的距離比較大，在適當的汞蒸氣壓下，這些電子與汞原子可以發(fā)生多次碰撞。電源在柵極和極板P之間建立一拒斥場，到達附近而能量小于的電子不能到達極板。極板電路中的電流強度用微電流放大器A來測量，其值大小反映了從陰極到達極板的電子數。實驗中保持和不變，直接測量極板電流隨加速電壓變化的關系。加速電壓剛開始升高時，板極電流也隨之升高，直到加速電壓等于或稍大于汞原子的第一激發(fā)電位，這時在柵極附近電子

5、與汞原子發(fā)生非彈性碰撞，把幾乎全部的能量交給汞原子，使汞原子激發(fā)。這些損失了能量的電子不能越過產生的拒斥場，到達板極的電子數減少，所以電流開始下降，繼續(xù)增加，電子在與汞原子碰撞后還能在到達前被加速到足夠的能量，克服拒斥場的阻力而到達板極P，這時電流又開始上升。直到與K間的電壓時二倍于汞原子的第一激發(fā)電位時，電子在附近又會因第二次非彈性碰撞而失去能量，并且受到拒斥場的阻擋而不能到達板極，電流再度下降。同樣的道理，隨著加速電壓的增加，電子會在柵極附近與汞原子發(fā)生第三次、第四次、……非彈性碰撞，因而板極電流就會相應下跌，形成具有規(guī)則起伏的曲線。圖是利用微電流放大器測得的汞原子的

6、實驗曲線，并由此定出汞原子的第一激發(fā)電位。實驗中板極電流的下降并不是完全突然的，其峰值總有一定寬度。這是由于從陰極發(fā)出的電子初始能量不完全一樣，服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。另外由于電子與原子的碰撞有一定幾率，當大部分電子恰好在柵極前使汞原子激發(fā)而損失能量時，顯然會有一些電子逃避了碰撞而直接到達板極，因此板極電流并不降到零。3．實驗儀器弗蘭克－赫茲實驗儀實驗用線路圖如圖所示。所用儀器由弗蘭克－赫茲管、加熱爐、溫度控制儀、穩(wěn)壓電源、微電流放大器和掃描電源六個部分構成。各儀器的特點及操作注意事項介紹如下：（1）弗蘭克－赫茲管。這是一個具有雙柵結構的柱面的充汞四極管。其工作溫區(qū)為，在小于

7、時可獲得明顯的第一譜峰。（2）加熱爐。加熱功率約400W。爐內溫度均勻，保溫性好。面板為實驗用接線板，弗蘭克－赫茲管的各電極均已連到面板上各相應接線端。背面由玻璃觀察窗，可觀察到受激原子從高能態(tài)返回到正常態(tài)時所輻射的光。加熱爐外形如圖所示。（3）溫度控制儀。它由交流溫控電橋、交流放大器、相敏放大器、控溫執(zhí)行繼電器四部分組成?？販胤秶?，控溫精度，同時也能指示被控溫度大小。（4）穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源輸出分為三組，均可調節(jié)。第一組作為燈絲電壓，第二組作為拒斥場電壓，第三組作為控制柵電壓。（5）掃描電源。用以改變加速電壓。輸出波形：鋸齒