夫兰克-赫兹实验

1、夫兰克-赫兹实验 近代物理实验 历史知识 玻尔理论 夫兰克-赫兹介绍 历史知识 尼尔斯玻尔 （Niels Bohr,1885-1962）丹麦丹麦物理学家物理学家， 哥本哈根学派的创始人。1885年10月7日 生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大学数 学和自然科学系，主修物理学。1907年以 有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科 学文学院的金质奖章，并先后于1909年和 1911年分别以关于金属电子论的论文获得 哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。 随后去英国学习，先在剑桥JJ汤姆孙 主持的卡文迪什实验室，几个月后转赴曼 彻斯特，参加了以E卢瑟福为首的科学集 体，从此和卢瑟福建立了长期的密切关

2、系。 玻尔简介 1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根的尼尔 斯玻尔以表彰他在研究原子结构,特别是研究从原 子发出的辐射所作的贡献。 1939年任丹麦皇家科学院院长。第二次世界大战开 始，丹麦被德国法西斯占领。1943年玻尔为躲避纳 粹的迫害，逃往瑞典。1944年玻尔在美国参加了和 原子弹有关的理论研究。1947年丹麦政府为了表彰 玻尔的功绩，封他为“骑象勋爵”。 1原子有核模型的建立原子有核模型的建立 1909年，卢瑟福的助手盖革，学生马斯登从 粒子被很薄的金箔散射的实验中，观察到了 一种出人意料的现象：大约有八千分之一的 粒子的偏转角度超过90度，有的甚至被反弹 回来。粒子散射实验的意外

3、结果，为建立正 确的原子有核棋型据供了科学依据 2玻尔原子结构的量子理论玻尔原子结构的量子理论 1913年玻尔提出了原子结构理论，他认为原 子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定 态），又称为能级, 其中每一状态对应一定 的能量，其数值是彼此分离的。原子在能级 间进行跃迁时要吸收或发射定值的能量。 放出放出 能量能量 吸收吸收 能量能量 玻尔理论提出了一个动态的原子结构轮廓， 揭示了光谱线与原子结构的内在联系，从而 推动了物质结构理论的发展。玻尔由于这一 杰出的工作，获得了1922年诺贝尔物理学奖 玻尔理论的实验验证 玻尔理论成功的解释了氢原子和类氢离子光谱的实 验规律。关键在于：这个理论中提

4、出了能量量子化 的假设，即原子内部存在着一系列不连续的稳定状 态能级。 原子内部是否真的存在能级？原子能量是否真的是 不连续变化？也就是说，玻尔的定态假设是否正确， 这不仅要由这个理论能解释和说明已有的实验事实 来证明，更需要进一步通过其它的实验来检验。这 样的实验确实存在，这就是1915年由夫兰克和赫兹 完成的实验，即夫兰克赫兹实验。 夫兰克夫兰克-赫兹实验赫兹实验 1914年（玻尔理论发表的第二年），夫兰年（玻尔理论发表的第二年），夫兰 克（克（J.Franck）和赫兹（）和赫兹（G.Hertz）用慢电）用慢电 子与稀薄气体中的原子碰撞的方法，使原子子与稀薄气体中的原子碰撞的方法，使原子

5、从低能级激发到高能级，通过测量电子和原从低能级激发到高能级，通过测量电子和原 子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了 玻尔提出的原子能级的存在，并指出原子发玻尔提出的原子能级的存在，并指出原子发 生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、 不连续的。由于他们取得这一伟大的成就，不连续的。由于他们取得这一伟大的成就， 从而获得了从而获得了1925年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。他们他们 的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手 段之一。段之一。 弗兰克 G.赫兹 (James Fr

6、anck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大 学的弗兰克和哈雷大学的G.赫兹以表彰他们发 现原子受电子碰撞的定律. 目的目的 1.了解夫兰克-赫兹实验的原理和方法。 2.测定氩原子的第一激发电位，验证原子能 级的存在。 基本概念 设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态量。 初动能为零的电子在电位差U0的电场作用下 获得能量eU0，如果 eU0 =1/2mv2= E2 - E1 那么当电子与原子发生碰撞时，原子将从电 子攫取能量而从基态跃迁到第一激发态。相 应的电位差U0就称为原子的第一激发电位。 2 E 本实验

7、的主要原理本实验的主要原理 本实验中就是通过电量为本实验中就是通过电量为e电子，在电位差电子，在电位差 UG2K的加速电场作用下，来使原子从基态的加速电场作用下，来使原子从基态E1 跃迁到第一激发态跃迁到第一激发态E2 mev2=eUG2K 当电子的加速电压当电子的加速电压UG2K原子第一激发电势原子第一激发电势U0 电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换。电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换。 为为“弹性碰撞弹性碰撞” 电子碰撞前后速度不变电子碰撞前后速度不变 当电子的加速电压当电子的加速电压UG2K原子第一激发电势原子第一激发电势U0 电子与原子碰撞发生动能与内能的交换电子与原子碰撞发生

8、动能与内能的交换 为为“非弹性碰撞非弹性碰撞” 电子碰撞后速度变慢，原子电子碰撞后速度变慢，原子 由基态跃迁到第一激发态由基态跃迁到第一激发态 实验原理 本实验是做一个与夫兰克-赫兹的原始实验类似的实验来 测定氩元素的第一激发电位，证明原子能级是量子化的。首 先通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实 现原子从基态到高能态的跃迁。设氩原子的基态能量为E1 ， 第一激发态的能量为E2 ，初速为零的电子在电位差为UG2K的 加速电场作用下，获得能量为eUG2K ，具有这种能量的电子 与氩原子发生碰撞，当电子能量eUG2K E2- E1时，电子与 氩原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氢原

9、子质量小得 多，电子能量损失很少。如果 ，电子与氢原子会产生非弹性 碰撞，氢原子从电子中取得能量E 而由基态跃迁到第一激 发态， eU0 = E，相应的电位差U0。即为氢原子的第一激发 电位。 实验仪器简介 夫兰克-赫兹实验仪 示波器 三极管示意图 夫兰克-赫兹实验仪器最初设计如图6-3-1所示。在 玻璃器中充入要测量气体。电子由阴极K发出。在K与 栅极G之间加电场使电子加速。在G与板极A之间有一 反向拒斥电压。当电子通过KG空间，进入GA空间时， 如果仍有较大能量，就能冲过反电场而达到电极A （板极），成为通过电流计的电流。如果电子在KG空 间与原子碰撞，把自己一部分的能量给了原子，使后 者

10、被激发。电子剩余的能量就可能很小，以致过栅极 G后已不足以克服反向拒斥电压，那就达不到A，因而 也不流过电流计。如果发生这样情况的电子很多，电 流计中的电流就要显著地降低。为了消除空间电荷对 阴极电子发射的影响，在阴极附近再增加一栅极，构 成四极管。 四极管示意图 板极 反向电压 第一栅极 阴极 第二栅极 UG1K:第一栅极电压； UG2K:加速电压；UG2A：反向拒斥电压； 反向电流 灯丝电压 实验时，把KG2间的电压 (加速电压)逐渐增加，观察 电流计的电流。这样就得到A极电流随加速电压的变化情况 电子在加速运动过程中，必然要与氩原子发生碰撞。如 果碰撞前电子的能量小于原子的第一激发电位对

11、应的能量 eU0（对氩原子U0=11.5V），那么他们之间的碰撞是弹性的。 然而如果电子的能量e UG2K达到eU0 （实验中），那么电子 与原子之间将发生非弹性碰撞。在碰撞过程中，电子的能量 传递给氩原子。假设这种碰撞发生在栅极附近，那些因碰撞 而损失了能量的电子在穿过栅极之后无力克服反向拒斥电压 而到不了板极A，因此这时板流开始下降。 随着加速电压的增加，电子与原子的非弹性碰撞区域将向阴 极方向移动。经碰撞而损失能量的电子在奔向栅极的剩余路 程上又得到加速，以致在穿过栅极之后有足够的能量来克服 反向拒斥电压而达到板极A。此时，板流又将随加速电压的 增加而升高。若这个增加使电子在到达栅极前其

12、能量又达到 U0，则电子与氩原子将再次发生非弹性碰撞，即又一次下降。 在 较高的情况下，电子在向栅极飞奔的路程上，将与氩原子 多次发生非弹性碰撞。每当UG2K=nU0（n=1，2，），就 发生这种碰撞。（在实验中，可看出，由于仪器的接触电势 的存在，每次开始下降时，所对应的加速电压并不是正好落 在U0的整数倍的整数倍处，可能会稍有误差）即在曲线上出现的多 次下降。对于图中每两个相邻峰值的差值均约为11.5V，即 氩的第一激发电位为11.5V。 对应的U-I示意图 020406080100 0 5 10 15 20 25 30 第7组实验曲线 (87.5,19.8) (74.7,17.4) (6

13、2.2,16.3) (49.9,13.6) (37.9,11.3) (26.8,8.0) (16.8,3.5) 电流 值 (参 考 量 ) 加 速 电压(V) 实验步骤 一、测量氩原子的第一激发电位一、测量氩原子的第一激发电位 1.准备工作准备工作 a,插上电源，拨动电源开关，指示灯亮。 b,将“手动自动”切换开关拨至“手动”档，“逆时针” 旋转扫描旋钮到底，“灯丝电压”（V）选择开关位置不 变，“微电流倍程”（A）开关置于10-7档。 c,将“电压分档切换”开关拨至1.3-5V档位，旋转1.3-5 V 调节旋钮,使电压表读数为2V，即阴极至第一栅极电压为 2V。 d,将“电压分档切换”开关拨

14、至1.3-15V档位，旋转1.3-15 V调节旋钮,使电压表读数为4.5V，即板极至第二栅极电压 (拒斥电压)为4.5V。 e,将电压分档切换开关拨至0-100V档位，旋转0-100V调节 旋钮,使电压表读数为0V，即阴极至第二栅极电压(加速电 压)为0V。 步骤a至e为实验前的准备工作,为2V， 为4.5V，是本装置 按实验建议采用的电压值。预热10分钟后开始做实验。 实验步骤 2、先进行粗测。先进行粗测。 将“微电流倍程”（A）开关置于10-7或10-8 档，旋转0-100V（）调节旋钮,缓慢增加，全 面观察一次的起伏变化情况（要求至少能观 察到连续的六个波峰和六个波谷），当微电 流表量程不够时要适当改变以扩大量程。 实验步骤 3、正式测量、正式测量 缓慢旋转0-100V调节旋钮，使电压表读数 由0V逐渐增大到100V，记录下每个峰谷及 其两边分别间隔2V处的值和对应的 值 。为 了便于作图和计算，要求至少记录36组数 据。 在坐标纸上选取适当的比例，以为纵坐标， 为横坐标，作曲线。求出各相邻的峰或谷 所对应的值，求出氩原子的第一激发电位。 实验步骤 二、