夫蘭克--赫茲實驗原理

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1、[實驗原理]根據(jù)玻爾理論，原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（即定態(tài)），其中每一狀態(tài)對應(yīng)于一定的能量值，各定態(tài)的能量是分立的，原子只能吸收或輻射相當(dāng)于兩定態(tài)間能量差地能量。如果處于基態(tài)的原子要發(fā)生狀態(tài)改變，所具備的能量不能少于原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時所需要地能量。夫蘭克—赫茲實驗是通過具有一定能量的電子與原子碰撞，進(jìn)行能量交換而實現(xiàn)原子從基態(tài)到高能態(tài)地躍遷。電子與原子碰撞過程可以用以下方程表示：；其中是電子質(zhì)量，是原子質(zhì)量，是電子的碰撞前的速度，是原子的碰撞前的速度，是電子的碰撞后速度，是原子的碰撞后速度，為內(nèi)能項。因為，所以電子的動能可以轉(zhuǎn)變?yōu)樵拥膬?nèi)能。因為原子的內(nèi)能是不連續(xù)的，

2、所以電子的動能小于原子的第一激發(fā)態(tài)電位時，原子與電子發(fā)生彈性碰撞；當(dāng)電子的動能大于原子的第一激發(fā)態(tài)電位時，電子的動能轉(zhuǎn)化為原子的內(nèi)能，為原子的第一激發(fā)電位。夫蘭克—赫茲實驗原理如圖1所示，充氬氣的夫蘭克—赫茲管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極和柵極之間的加速電壓使電子加速，在板極和柵極之間有減速電壓。當(dāng)電子通過柵極進(jìn)入空間時，如果能量大于，就能到達(dá)板極形成電流。電子在空間與氬原子發(fā)生了彈性碰撞，電子本身剩余的能量小于，則電子不能到達(dá)板極，板極電流將會隨著柵極電壓的增加而減少。實驗時使逐漸增加，觀察板極電流的變化將得到如圖2所示的曲線。隨著的增加，電子的能量增加，當(dāng)電子與氬原子碰撞后仍留下足夠的

3、能量，可以克服空間的減速電場而到達(dá)板極時，板極電流又開始上升。如果電子在加速電場得到的能量等于時，電子在空間會因二次非彈性碰撞而失去能量，結(jié)果板極電流第二次下降。在加速電壓較高的情況下，電子在運(yùn)動過程中，將與氬原子發(fā)生多次非彈性碰撞，在關(guān)系曲線上就表現(xiàn)為多次下降。對氬來說，曲線上相鄰兩峰（或谷）之間的之差，即為氬原子的第一激發(fā)電位。這即證明了氬原子能量狀態(tài)的不連續(xù)性。[實驗內(nèi)容與步驟]一、示波器演示1、分別用線將主機(jī)正面板上“輸出”和“輸出”與示波器上的“”和“”相連，將電源線插在主機(jī)后面板的插孔內(nèi)，打開電源開關(guān)；2、把掃描開關(guān)調(diào)至“自動”檔，掃描速度開關(guān)調(diào)至“快速”，把電流增益波段開關(guān)

4、撥至“”；3、打開示波器的電源開關(guān)，并分別將“”、“”電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至“”和“”，“”工作方式開關(guān)按下，“”全部打到“”；4、分別調(diào)節(jié)、、電壓至主機(jī)上部廠商標(biāo)定數(shù)值，將調(diào)節(jié)至最大，此時可以在示波器上觀察到穩(wěn)定的氬的曲線；二、手動測量1、將掃描開關(guān)撥至“手動”檔，調(diào)節(jié)至最小，然后逐漸增大其值，尋找值的極大和極小值點，以及相應(yīng)的值，即找出對應(yīng)的極值點（，），也即關(guān)系曲線中波峰和波谷的位置，相臨波峰或波谷的橫坐標(biāo)之差就是氬的第一激發(fā)電位；（注：實驗記錄數(shù)據(jù)時，電流值為表頭示值“”，；實際測量值為：表頭示值）2、每隔記錄一組數(shù)據(jù)，列出表格，然后描畫氬的關(guān)系曲線圖。（實驗中可以在波峰和波谷位置周圍

5、多記錄幾組數(shù)據(jù)，以提高測量精度）