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1、弗蘭克-赫茲實驗基礎部-物理實驗室弗蘭克-赫茲簡介海因里希?魯道夫?赫茲，德國物理學家，于1888年首先證實了電磁波的存在，并對電磁學有很大貢獻，故頻率的國際單位制單位“赫茲”以他的名字命名。弗蘭克-赫茲實驗簡介原子能級的存在最早是從光譜學的研究中推斷出來的。1914年，弗蘭克和赫茲采用慢電子和稀薄氣體原子碰撞的方法，測得原子吸收或發(fā)射的能量是不連續(xù)的，從而證明了原子能級的存在，弗蘭克和赫茲也由于這一杰出的貢獻共同獲得了1925年的諾貝爾物理學獎。實驗目的通過測定（氬）原子的第一激發(fā)電位U0，證明玻爾原子能級的存在，了解原子能級的量子化結構。了解夫蘭克－赫茲實驗的設計思
2、想和實驗方法。實驗原理——玻爾原子模型玻爾關于原子理論的兩個基本假設：1）定態(tài)假設：原子只能較長久地停留在一些定態(tài)，原子在定態(tài)時不發(fā)射也不吸收能量，各定態(tài)的能量是不連續(xù)的值E1、E2、E3、…。2）躍遷假設：原子從一個定態(tài)E2躍遷到另一個定態(tài)E1時，要輻射出一個光子，其頻率是一定的，滿足：hυ=E2-E1實驗原理——玻爾原子模型一般情況下，原子的最外層電子都是處于基態(tài)的。當原子受到外部能量的作用后，其最外層電子就會躍遷到高能級上，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)原子，eU0=E2-E1。激發(fā)態(tài)原子極不穩(wěn)定，在極短時間內就會重新躍遷回基態(tài)，并將其吸收的能量以光子形式釋放出去,hυ=E2-E1。
3、每一種躍遷都會發(fā)射出一種波長的光，在光譜中相應的產生一種譜線。元素汞（Hg）鈉（Na）鉀（K）鋰（Li）鎂（Mg）氖（Ne）氬（Ar）U0（V）4.92.121.631.843.218.613.1l（?）253758905896766476996707.845716402.28115.3第一激發(fā)電位eU0=E2-E1hυ=E2-E1實驗原理——第一激發(fā)電位IA-UG2K曲線弗蘭克－赫茲實驗線路原理圖氬原子UG2K=U1電子與原子第一次碰撞，將eU0能量傳遞給原子UG2K=U2UG2K=U3E≤e?VG2A時：電子未能穿越板極A形成電流，柵極電流為零！E≥e?VG2A時：
4、電子穿越板極A形成電流，且隨著VG2K的增大，能夠穿越的電子數量越來越多，電流IA增大！與原子碰撞交出能量的電子數量增多，能量損失后未能穿越板極A，電流減??！與原子碰撞后剩余能量足以穿越板極A的電子數量增多，電流增大！實驗原理——弗蘭克赫茲實驗第一激發(fā)電位與電流變化的關系IA-UG2K曲線U0U0U0U0U0原子第一激發(fā)電位等于相鄰兩個峰電流（或谷電流）對應的電壓差。電流顯示電流顯示檔位轉換電壓顯示電壓顯示檔位轉換電壓調節(jié)左右位置選擇按鈕增大減小調節(jié)按鈕1、各旋鈕逆時針旋至底，接通導線，檢查無誤后開機，預熱5min。【電子逸出過程與熱能有關，需要一定的穩(wěn)定時間，故需預熱
5、！】2、自動/手動測量：(1)“自動/手動”；(2)參數設置：參考機箱蓋上提供數據；(3)“啟動/增加VG2K電壓”；(4)查閱數據，記錄谷底或峰尖對應VG2K電壓，并計算第一激發(fā)電位U0。3、按下“自動/手動”鍵，將數據清零。實驗內容1、為什么相鄰電流峰值對應的電壓之差就是第一激光電位？答：當電子能量達到eUG2K(UG2K>U0)時，與所測原子（例如氬原子）碰撞從而失去eU0的能量，由于存在拒斥電壓，電子將不能夠穿越板極形成電流，電流下降形成第一個峰。當電子能量UG2K>2U0時，電子在G2K之間又會因第二次非彈性碰撞而失去能量2eU0，于是出現第二個峰值。根據上述
6、分析可知，能量轉移隨著加速電壓的增加而呈現周期性的變化，所以電流峰值對應的電壓差就是第一激發(fā)電位。思考題2、谷電流為什么不為零？答：由于電子在柵極G2附近跟氬原子發(fā)生碰撞存在一定的幾率，總有一部分電子在柵極附近未與氬原子發(fā)生碰撞而直接到達A極形成電流，因此谷電流不等于零。3、為什么隨著UG2K的增加，IA的峰值越來越高？答：因為隨著UG2K的增加，能夠穿越A極的電子數量越來越多，電流IA越來越大。思考題4、為什么第一激發(fā)電位（~11.6V）不等于曲線第一個峰的電壓（~22V）？答：a、拒斥電壓的存在（~8V）b、F-H管的陰極K和柵極G2往往由不同的金屬材料制作，因此會
7、產生接觸電勢差，使電子實際的加速電壓不等于UG2K，這將影響F-H實驗曲線第一個峰的位置。5、為什么曲線的峰值是緩慢過渡的，而不是瞬間達到的？分析原因：燈絲發(fā)射電子的初動能并不是完全確定的一個值，而是滿足一個正態(tài)分布，電子經加速后的動能也存在一個分布，所以導致峰電流和谷電流存在一定的寬度。思考題電磁波譜與可見光譜趣聞玻爾原子模型——1913年諾貝爾物理學獎！弗蘭克-赫茲實驗——利用汞蒸氣實驗，發(fā)現每隔4.9V電勢差，板極電流就突降一次。但是他們認為這是因為4.9V的電勢差引起了汞離子的電離，這恰與當時比較盛行的“斯塔克理論”相恰和。于是他
