1夫兰克-赫兹实验

1、实验目的（1） 了解低能电子与原子间相互作用以及电子原子间的能量交换与原子内 部的能量状态的关系。（2） 了解电子与原子能量交换的微观过程与宏观现象的 联系。（3）测量氩原子第一激发电位，证明原子能级的存在，学习图象分析法。 实验仪器夫兰克一赫兹实验实验原理1.激发电位玻尔提出的原于理论指出：（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为 定态）。原子在这些状态时，不发射或吸收能量，各定态有一定的能量，其数值 是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃 迁到另一个定态。（2）原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。如果用 EM和EH代表有关

2、两定态的能量，辐射的频 率U决定于如下关系：hv=E2E1（1）式中，普朗克常数h=6.63X 10-34J . sec夫兰克一赫兹实验是通过加速电压 U使电子具有一定动能量，并与氩原子 碰撞进行能量交换而实现原子从基态到高能态地跃迁。电子与原子碰撞过程可 以用以下方程表示：1 2 1 2 meV + M 原V+AE2 21 2 1 2meV2 + M 原V2 =2 2其中me是电子质量，M是原子质量，v是电子的碰撞前的速度，V是原子的碰撞前的速度，v 是电子的碰撞后速度,V 是原子的碰撞后速度，AE为内能项。因为me eUGA),间与电子进行 加时，电子在KG 始阶段，由于电（为弹性压较低，

3、电子的能量较小，即使在运动过程中它与原子相碰撞也只有极小的能量交换碰撞）。穿过栅极的电子所形成的板流L将随栅极电压 Ugk的增加而增大（如图oa段）。直至UGk等于或较大于汞原子的第一激发电位Ub时，电子在栅极附近与汞原子发生非弹性碰撞，几乎将自己的全都能量交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于把全都能 量给了汞原于，即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回栅极（被筛选掉），所以板极电流I A将显著减小（ab段）。继续增加栅极电压 留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极间电压二倍于汞原子的第一激发电位Ub时，电子在成了第二次板极电流的下降（cd段）。同理，凡在U

4、GnUb （n=1、2、3,） 的地方板极电流 Ia，都会相应下跌，形成规则起伏变化的UGk,电子在与汞原子发生非弹性碰撞后还A,这时电流又开始上升（be段）。直到KGKG间又会因二次碰撞而失去能量，因而造I A UGk曲线。相邻两次板极电流I AUb（公认值为4.9V）。下降（或峰值）所对应的电位差应该是汞原子的第一激发电位 继续增加UGk时，电子具有的能量就可逐渐上升到足以使原子跃迁到第二、第三激发态等 等；最后，到达某一值U时，电子能量足以使原子电离，U称为电离电位。一般地，原子处于激发态是不稳定的，在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳 回基态，进行这种反跃迁时，原于是以放出光量子

5、的形式向外辐射能量。这种光辐射的 为波长0=h u =hc/ 入eU对于汞原子入=hc/eU b=（6.63 x 1b-34 x 3.00 x 1b8）/（1.6从光谱学的研究中确实观测到了这根波长为x 10-19 x 4.9）=2.5 x 103埃入=2537埃的紫外线。如果夫兰克一赫兹管中充以其他元素，则可以通过实验得到它们的第一激发电位。三.实验仪器FH 一 1A型夫兰克一赫兹实验仪由夫兰克一赫兹管、 图如下。1 .夫兰克一一赫兹管它是一种充汞或其他气体（如氦、氖、氩等）的特制三极管（如图1中所示），实验中应置控温加热炉和微电流测量放大器组成，联线于控温加热炉中加热，并维持适当的温度；当

6、温度改变时，会导致电子与汞原子碰撞平均自 由程发生变化。它是在直径为 0 30mm高125mm勺玻璃管壳中，同轴地安装着平面状的板极A、网状栅极G和间热式氧化物阴极K.将管内抽至高度真空后，充入高纯汞滴或其他气体。此外，管内还施放有长效消气剂以吸收管内残余杂质气体。为了保证较高的碰撞几率，阴极与栅极之间的 距离约9 lOmm,这个距离比汞蒸汽在 180 C时的平均自由程要大。而板极与栅极之间的距离就较栅极与阴极之间的距离小（约1mm）。0.63A。间热式阴极用 6.3V的交流电源加热。灯丝电流约为2 .控温加热炉外壳是铁皮箱，内敷石棉保温层。加热炉采用镶嵌在炉子底部陶瓷架上的400W镍铬电热丝加热，炉温采用双金属片控温开关来调节和自动稳定。开关由炉体右侧的控温旋扭从外部 调节，顺时针旋转炉温升高。控温范围约在1200C 2200C。电热丝和双金属片控温开关用金属屏蔽，以避免控温开关工作时加热电流的突然增减而干扰测量。加热炉正面有玻璃窗口，透过窗口可以看到炉内电热丝和管子的工作情况。管内电子和 原子撞碰时可以看到明暗相间的亮暗带，它对应着Ia Ug