夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)

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1、實(shí)驗(yàn)題目：夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、通過實(shí)驗(yàn)測定氬原子等元素的第一激發(fā)電位（即中肯電位）。2、理解原子能級的存在及如何躍遷?！緦?shí)驗(yàn)儀器】夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀【實(shí)驗(yàn)原理】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(shí)，不發(fā)射或吸收能量：各定態(tài)有一定的能量，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(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)。②原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時(shí)，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ν決定于如下關(guān)系：hν＝

2、Em－En

3、（1）式中，普朗克常數(shù)h=6.63×10

4、-34J·s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(jìn)行能量交換的辦法來實(shí)現(xiàn)。設(shè)初速度為零的電子在電位差為U0的加速電場作用下，獲得能量eU0。當(dāng)具有這種能量的電子與稀薄氬氣的原子發(fā)生碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量交換。如以E1代表氬原子的基態(tài)能量、E2代表氬原子的第一激發(fā)態(tài)能量，那么當(dāng)氬原子吸收從電子傳遞來的能量恰好為eU0=E2－E1（2）時(shí)，氬原子就會(huì)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(gè)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

5、蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)的原理圖如圖一所示。在充氬氣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G2之間的加速電壓UG2K使電子加速。第一柵極對電子加速起緩沖作用，避免加速電壓過高時(shí)將陰極損傷。在板極A和第二柵極G2之間加有反向拒斥電壓UG2A。管內(nèi)空間電位分布如圖二所示。當(dāng)電子通過KG2空間進(jìn)入G2A空間時(shí)，如果有較大的能量（≥eUG2A），就能沖過反向拒斥電場而到達(dá)板極形成板極電流（即用“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法），為微電流計(jì)μ7/7A表檢出。如果電子在KG2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

6、斥電場而被折回到第二柵極，這時(shí)，通過微電流計(jì)μA表的電流將顯著減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使UG2A電壓逐漸增加并仔細(xì)觀察電流計(jì)的電流指示，如果原子能級確實(shí)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IA～UG2K曲線。圖三所示的曲線反映了氬原子在KG2空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。當(dāng)KG2空間電壓逐漸增加時(shí)，電子在KG2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(yùn)動(dòng)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極電流IA將隨第二柵極電壓UG2K7/7的增加而增大（如圖三的oa段）。當(dāng)KG2間的電壓達(dá)

7、到氬原子的第一激發(fā)電位Uo時(shí)，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(dá)到板極A，這時(shí)電流又開始上升（bc段）。直到KG2間電壓是二倍氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在KG2間又會(huì)因二次碰撞而失去能量，因而又會(huì)造成第二次板極電流的下降（cd段），同理，凡在UGK2＝nUo（n＝

8、1，2，3……）（3）的地方板極電流IA都會(huì)相應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏變化的IA～UG2K曲線。而各次板極電流IA下降相對應(yīng)的陰、柵極電壓差Un+1一Un應(yīng)該是氬原子的第一激發(fā)電位Uo。.本實(shí)驗(yàn)就是要通過實(shí)際測量來證實(shí)原子能級的存在，并測出氬原子的第一激發(fā)電位（公認(rèn)值為Uo＝11.61V）。原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行這種反躍遷時(shí)，就應(yīng)該有eUo電子伏特的能量發(fā)射出來。反躍遷時(shí)，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（4）對于氬原子?【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、手動(dòng)測量氬元素的第一激發(fā)電位（1）按要求連接夫蘭克赫茲管各組工作電源線，檢查

9、無誤后開機(jī)。將實(shí)驗(yàn)儀預(yù)熱20～30分鐘。并確認(rèn)開機(jī)后的初始狀態(tài)(具體內(nèi)容請見自行下載的ZKY-FH-2夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書)。（2）設(shè)置儀器為“手動(dòng)”工作狀態(tài)，設(shè)定電流量程、設(shè)定電壓源的電壓值（需設(shè)定的電壓源有：燈絲電壓VF、第一加速電壓VG1K、拒斥電壓VG2A）。（3）按下“啟動(dòng)”鍵，實(shí)驗(yàn)開始。用↓/↑，←／→鍵完成VG2K電壓值的調(diào)節(jié)，從0.0V起，按步長1V的電壓值調(diào)節(jié)電壓源VG2K，同步記錄VG