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1、弗蘭克-赫茲實驗1.實驗?zāi)康模?)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(xí)使用微機控制的實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2.實驗原理根據(jù)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(gòu)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(dāng)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(shè)的制約:(1)定態(tài)假設(shè)。原子只能處在穩(wěn)定狀態(tài)
2、中,其中每一狀態(tài)相應(yīng)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(dāng)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(guān)系:其中稱作普朗克常數(shù)。原子狀態(tài)的改變通常在兩種情況下發(fā)生,一是當(dāng)原子本身吸收或放出電磁輻射時,二是當(dāng)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(xiàn)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(dāng)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(nèi)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(dāng)?shù)墓魵鈮合?,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(shù)。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(guān)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(chǎn)生的拒斥場,到達板極的電子數(shù)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(yīng)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(dāng)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)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??販胤秶販鼐?,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(diào)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