夫兰克-赫兹试验

1、实验三十一夫兰克 赫兹实验实验内容1了解夫兰克 赫兹实验的原理和方法。2学习测定汞原子第一激发电位的方法。教学要求证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。学习处理数据的方法。实验器材：夫兰克 赫兹实验仪温度计（ 250）本世纪初，人类对原子光谱的研究逐步深入，人们发现卢瑟福于1911 年提出的原子核结构模型与经典电磁理论存在深刻的矛盾。按照经典理论，原子应当是一个不稳定的系统，原子光谱应为连续光谱。但事实上，原子是稳定的，原子光谱是具有一定规律性的分离谱线。为了解决这一矛盾，丹麦物理学家玻尔（N.Bohr ）根据光谱学研究的成就和普朗克、爱因斯坦的量子论思想，在卢瑟福核式模型基础上，把量子概

2、念应用于原子系统，提出了半经典的氢原子理论，指出原子中存在能级。该模型的预言在氢光谱的观察中取得了显著成功。根据玻尔理论，原子光谱中的每条谱线表示原子从一个能级跃迁到另一个较低能级时产生的辐射。为此，1922 年玻尔获诺贝尔物理奖。为了证明原子中电子的运动存在一系列稳定状态 能级， 1914年，德国物理学家夫兰克 (J.Franck)和赫兹 (G.Hertz) 巧妙地改进了勒纳用来测量电离电位的实验装置。他们同样采用慢电子（几到几十电子伏）与单原子气体碰撞后电子状态的变化（勒纳观察的是离子）。他们用此装置测定了汞原子的第一激发电位，后又改进电路测出了汞原子的较高激发电位及至电离电位，得到了与原

3、子光谱测量一致的结果，从实验上证实了原子内部能量的分立、不连续性，验证了玻尔理论，为量子理论的创立奠定了实验基础。这两位物理学家于 1925 年获诺贝尔物理奖。实验原理：根据玻尔理论的基本假设，原子只能处于一系列稳定状态（简称定态）中，每一稳定状态对应一定的能量值En (n=1,2, )，这些能量值是彼此分立的，不连续的。原子从一个稳定态过渡到另一个稳定态时，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。辐射频率 取决于两定态能量之差 hEn Em 。原子能量状态的改变可以通过具有一定动能的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。夫兰克 赫兹实验就是通过直接测量出电子碰撞时传递的能量值来证实原子能级存在的。夫兰

4、克赫兹实验的原理图如图31-1 所示。电子和原子的碰撞是在夫兰克 赫兹实验管中进行的，夫兰克 赫兹管是在抽成真空的电子管中充以某种气体，电子由电阴极发出，阴极 K 与栅极 G 之间的电压 UGK 是使电子加速的；在板极A 与栅极 G之间加的是反向电压，它使电子减速，用于探测电子通过KG 后的状态。这样，电子在KG空间被加速时将会与被测气体原子发生碰撞。按玻尔理论，被测气体原子只能接收与其各能级之间能量差相等的能量，而不能接受其他量值的能量。如果电子的动能低于原子第一激发能量，它与气体原子的碰撞将是弹性碰撞，电子几乎不损失能量，因而可能穿过反向电压 U AG 达到板极 A ，被电流计 pA 检出

5、；如果电子加速后具有的动能足够大，足以使气体原子产生激发的话，电子将与气体原子产生非弹性碰撞，把其一部分动能传给原子，使原子从基态跃迁到第一激发态，电子剩下的能量将不足以克服GA 之间的反向电压，结果将引起板极电流IA 急剧下降。随着电子继续加速和减速，I A 将随 UGK 周期性的变化， I A-UGK 曲线两峰值之间的电位差就是被测气体原子的第一激发电位。实验观察到的I A-UGK 曲线如图31-2所示。它反映了在KG空间中气体原子与电子间进行能量交换的情况。pAAAHgGVK图 31-1 夫兰克 赫兹实验原理图被测气体可以是惰性气体（如氖、氩气），也可以是汞蒸气。由于常温下汞为液体，因而

6、需要用恒温加热炉，使管中有一定的汞饱和蒸气，其中的原子密度可通过调节加热炉的恒温温度来选择，温度越高管中汞原子密度越大，电子与原子碰撞的机会越多。本实验就是要通过实验测定汞原子的第一激发电位（公认值为4.9 伏），进而证实原子能级的存在。原子处于激发态是不稳定的。实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，应有eU0（ U0 是汞的第一激发电位）电子伏特的能量释放，产生波长为 的光波。即eU 0hc /hc6.6310343.00108o( m) 2537( A)eU01.610 194.9实验中可观察到夫兰克 赫兹管中有淡蓝色的光发出，光谱分析证实了这一波长光波的存在。假如电子在被加速过

7、程中获得的动能eUGK足以补偿原子束缚其电子的势能eUZ时，当这样的电子与原子碰撞时，就能从原子中分离出一个电子，使原子变成离子。由于板极电位为负，电子在碰撞后到不了板极，而正的离子才能到达板极形成板极电流 IA 而被电流计检出。通过测量这个电流的变化即可测出该原子的第一电离电位。汞的电离电位是 UZ=10.39V 。操作步骤1.测定汞原子的第一激发电位接通装有夫兰克 赫兹管的加热炉电源，调节加热炉右侧的控温旋钮（顺时针旋转为升温），使温度计上读出的炉温逐渐升高 ,直至稳定在 160左右。(2) 在加热的同时，接通微电流放大器，使之预热。先将“工作选择”开关拨向“M ”(锯齿波 )，电压表指示

8、扫描电压，此时可观察到栅压电表指针缓慢地来回摆动。然后将“工作选择”开关拨向“DC”，预热 20 分钟左右。接着将“工作状态”旋钮拨在“激发”（ R）位置上，“倍率”旋钮拨在1 档位上，调节“调零”旋钮使微安表指零；随后再将“倍率”旋钮拨至“ Full ”（ 满度）档，使微安表满度（使 A 表指针指在最大刻度上） ，“零点”和“满度”要反复进行校准。炉温稳定在 160左右后，测量放大器“工作选择”开关仍拨在“ DC”，将“栅极电压”（ Ug）旋钮逆时针转至最小。用专用线连接好各部分实验仪器的对应接线柱。将放大器“倍率”旋钮拨在 10-5 或 10-6 档上，“工作状态”旋钮仍处在“激发”位置，

9、缓慢增加“栅极电压”旋钮，仔细观察微安表的读数（当发现微安表满度时，将“倍率”旋钮调大一档，继续测量） 。每隔 0.5 伏记录一次 IA 的读数。为方便作图，在峰谷值附近应多测几组数据。(5)以 U GK 为横坐标， I A 为纵坐标作出I A-U GK 曲线，并找出各相邻的峰值处的电势差。改变炉温，在 180时重复上述步骤，将所得的数据填入表格，并在同一张坐标纸上作 I A-U GK 曲线，进行比较。实验后，将“工作选择”和“工作状态”置O，“栅压调节”至最小，先切断加热炉电源，待炉温低于100之后再切断放大器电源，拆除H、 K 连线。2.数据处理：取各峰值电压，用逐差法计算汞原子第一激发电位，并与理论值比较。注意事项1测试时，随着栅极电压的增加，微安表会逐渐达到满偏。此时应将“倍率”旋钮调大一档，继续测量，直至出现辉光为止。2调节栅压过程中，要注意微安表量程，及时改变“倍率”旋钮。同时，还要注意观察夫兰克 赫兹管，一旦栅、阴极之间出现蓝白色辉光，表示汞原子被电离，应立即降低 UGK ，即将“栅压调节”至最小。3温度计的水银泡应与栅、阴极中间位置相齐。4加热炉与微电流放大器上各对应电极切勿接错或短路，以免烧毁仪器。5开始预热时，不要接线，以防凝结在灯丝上的汞滴造成短路。6加热炉温度很高，接线时应尽量远离炉体，避免灼伤。7实