夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理.doc

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1、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位，證明原子能級(jí)的存在。（2）分析溫度、燈絲電流等因素對(duì)F-H（夫蘭克-赫茲）實(shí)驗(yàn)曲線的影響。（3）了解在微觀世界中，電子與原子的碰撞存在幾率性?！緦?shí)驗(yàn)原理】根據(jù)玻爾提出的原子理論，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(duì)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)間能量差的能量。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(shí)所需要的能量。為使原子從低能級(jí)En向高能級(jí)Em躍遷，可以通過吸收

2、一定頻率n的光子來實(shí)現(xiàn)，其光子的能量由下式?jīng)Q定：（5.1.1）其中：普朗克常量h=6.626×10-34J·S也可能通過與具有一定能量的電子碰撞來實(shí)現(xiàn)。若與之碰撞的電子是在電勢(shì)差U的加速下，速度從零增加到v并將全部能量交換給原子，則有夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理圖5.1.1（5.1.2）由于Em－En有確定的值，對(duì)應(yīng)的U就應(yīng)該有確定的大小。當(dāng)原子吸收電子能量從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時(shí)，相應(yīng)的U稱為第一激發(fā)電勢(shì)。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理如圖5.1.1所示。實(shí)驗(yàn)中原子與電子碰撞是在弗蘭克-赫茲（F-H）管內(nèi)進(jìn)行的。一般的夫蘭克-赫茲管是在圓柱

3、狀玻璃管殼中沿徑向或軸向依次安裝加熱燈絲、陰極K、網(wǎng)狀柵極G及板極A，有的在陰極K和柵極G之間還安裝有第一陽極G1。將管內(nèi)抽取至高真空后，充入高純氬或其他元素。管內(nèi)充以不同元素的氣體就可以測(cè)出相應(yīng)元素的激發(fā)電勢(shì)。夫蘭克-赫茲管管內(nèi)電位分布圖5.1.2設(shè)氬原子的基態(tài)能量為E1，第一激發(fā)態(tài)的能量為E2，初速為零的電子在電位差為U0的加速電場(chǎng)作用下，獲得的能量為eU0。具有這種能量的電子與氬原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子能量eU0

4、－E1＝DE，則電子與氬原子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞。氬原子從電子中取得能量DE，而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，eU0＝DE。相應(yīng)的電位差U0即為氬原子的第一激發(fā)電位。在充氬的夫蘭克-赫茲管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極K和柵極G之間的加速電壓UGK使電子加速。在板極A和柵極G之間加有減速電壓UAG，管內(nèi)電位分布如圖5.1.2所示，當(dāng)電子通過KG空間進(jìn)入GA空間時(shí)，如果能量大于eUAG就能達(dá)到板極形成板流。電子在KG空間與氬原子發(fā)生了非彈性碰撞后，電子本身剩余的能量小于eUAG，則電子不能到達(dá)板極，板極電流將會(huì)隨柵極電壓增加而減少。實(shí)驗(yàn)時(shí)使

5、UGK逐漸增加，仔細(xì)觀察板極電壓的變化，我們將觀察到如圖5.1.3所示的IA-UGK曲線。夫蘭克-赫茲管的IA-UGK曲線圖5.1.3隨著UGK的增加，電子能量增加，當(dāng)電子與氬原子碰撞后還留下足夠的能量，可以克服GA空間的減速場(chǎng)而到達(dá)板極A時(shí)，板極電流又開始上升。如果電子在KG空間得到的能量eU0＝2DE時(shí)，電子在KG空間會(huì)因二次彈性碰撞而失去能量，從而造成第二次板極電流下降。在UGK較高的情況下，電子在通向柵極的路程中，將與氬原子發(fā)生多次非彈性碰撞。只要UGK＝nU0（n＝1，2，…），就發(fā)生這種碰撞。在IA-UGK曲線上

6、將出現(xiàn)多次下降。對(duì)于氬，曲線上相鄰兩峰（或谷）對(duì)應(yīng)的UGK之差即為原子的第一激發(fā)電位。如果氬原子從第一激發(fā)態(tài)又躍遷到基態(tài)，這就應(yīng)當(dāng)有相同的能量以光的形式放出，其波長可以計(jì)算出來：hn＝eU0，實(shí)驗(yàn)中確實(shí)能觀察到這些波長的譜線。