实验三弗兰克-赫兹实验

实验三弗兰克—赫兹实验弗兰克—赫兹实验是近代物理实验中一个较为重要的实验，因为这一实验首次用实验证实了玻氢原子理论中原子定态能级的存在，弗兰克（J.Frank,1882-1964）和赫兹（G.Hertz,1887-1975）还因为这一杰出的实验获得1925年的诺贝尔物理学奖。一、实验目的（1）通过测量汞原子的每一激发电位，证明原子内部量子化能级存在。（2）了解在研究原子内部能量量子化问题时所使用的基本方法。二、实验原理图3-1为实验装置的示意图。图中左边的费兰克-赫兹三极管中充有稀薄的汞气体原子，管内有三个电极、、。为用来发射电子的热阴极，为栅极。从被加热的阴极发射大量电子，这些电子受到加在阴极和栅极之间的加速电压的作用，向栅极作加速运动。在栅极与板极之间加有一定的反向拒斥电压。图3-1弗兰克-赫兹实验装置示意图设从热阴极发射出的电子，初速度为零，受加速电压作用，电子到达栅极时所获得的动能为：当较低时，由于电子动能小于原子的激发能，电子在加速过程中虽然不断与汞气体原子碰撞，但不能激了原子，它们之间只发生弹必碰撞（电子不损失能量）。因此，从阴极发射的电子与气态汞原子发生多次碰撞后到达栅极时，仍有足够的动能可以克服反向电压的阻碍向板极运动，形成板极电流。并且随的增加而增加。随着的增加，如果电子积累的动能等于或大于汞原子的激发能，那么，在电子与原子之间就会产生非弹性碰撞，汞原子吸收电子的动能，由基态被激发到某一激发态，而电子所损失的动能在数量上将恰好等于汞原子的这一激发能，与此同时，电子激发原子后尚可具有剩余动能，如果剩余动能不足以克服反向电压的作用，即：电子将达不到板极，对于大量电子来说，板流就会突然减少。如果继续加大加速电压，那么电子的动能又会增加，当电子积累的动能足以克服反向电压作用时，即：电子又能到达板极，使板流回升，可见，板流随着加速电压的增加，在出现一个极大值和极小值之后，将重新增大。如果电子与原子产生非弹性碰撞，其剩余动能恰好等于零，那么与此时加速电压相对应的电子的动能就是原子的激发能。只要增加到足够大，在非弹性碰撞中损失部分或全部动能的电子会重新积累动能，在从阴极到栅极的整个路程上接连多次激发能的大小为上限，随加速电压的增加而作周期性变化，能克服反向电压到达板极的电子数，即板流的大小，随着的增加而增加，同时周期性地出现极大值和极小值。与两个相邻的板流的极大值（或极小值）对应的加速电压的差，显然都是原子的第一激发电位，即有：汞原子第一激发电位的公认值，图3-2给出充汞弗兰克-赫兹管的曲线，可见，电流值随加速电压增加具有周期性极大、极小变化，各峰值的电压差反映了能级之间能量差。图3-2充汞弗兰克-赫兹管的I-UGK曲线图3-2中极小值（谷）随着的增大而增大。这是因为电子与汞原子碰撞有一定概率，即一部分电子与汞原子发生非弹性碰撞的损夫能量后，不能克服反向拒斥电压到达板极从而造成板流下降，而另一部分电子则因“逃避”了碰撞，能够到达板极而形成板流，又因电子能量越大，碰撞概率越小，因此，“谷”的极小值随着加速电压增大而增大。三、实验装置图3-3充汞F-H四极管主要包括F-H管、控温加热炉和微电流测量放大器。微电流测量放大器部分包括：

（1）F-H管灯丝电源：开路时为交流，接入灯丝后，可调范围为。（2）F-H管栅极电源：提供可调直流电源，并由电压表读出：还可提供周期约为，幅值为的锯齿波电压，后者供慢扫描示波器显示和函数记录仪自动记录之用。（3）反向（拒斥）电压电源：一般控制在之间，产生空间的反向拒斥电场。图3-1为弗兰克-赫兹实验的线路，也可自行设计，目前国产充汞F-H管有两种类型：一种是前面讲过的三极管，另一种是四极管见图3-3，为消除空间电荷对阴极电子发射的影响，充汞四极管是在三极管的基础上增加了一个栅极而设计的，位于阴极与加速栅极之间，图3-4为采用充汞四极管时的实验线路图。图3-4采用充汞四极管时的实验线路图四、实验内容（1）加热F-H管，使炉温稳定在150℃左右。（2）选择合适的灯丝电压，第一栅极电压为，拒斥电压为左右（以整个曲线起伏较大为宜）。通过缓慢地改变加速电压（或）从逐渐加大到（或），定性观察板流的起伏变化，粗测“峰”、“谷”的位置。注意选择微电流测试仪或光标检测流计的量程和倍率，使得板流最大值不超过量程。若系专用弗兰克-赫兹实验仪，亦可用慢扫描示波器观察板流的变化，直到出现较好的(或)曲线为止。（3）在粗测调整到适宜的基础上，同粗测步骤，从最小开始逐点记录和的值。每隔记录一次，在电流变化较大时，应增加测量点，宜每隔或记录一次。（4）改变温度，分别测出140℃、160℃以下(或)曲线。如使用函数记录仪，可自动描绘出不同温度下的(或)曲线。（5）以为纵坐标，(或)为横坐标，在同一张坐标纸上画出不同温度下的(或)曲线，用逐差法求出汞原子第一激发电位，并与公认值（）相比较，求出测量误差。（6）分析讨论温度对实验曲线的影响。五、思考题（1）实验中得到的(或)曲线为什么呈周期性变化？（2）选择不同的和，它们对曲线会产生什么影响？（3）举出实验误差产生的诸因素。六、注意事项（1）由于实验时加热炉外壳温度较高，要防止烫伤。（2）实验中可从加热炉前观察窗看到在与间有明暗相间的淡蓝色光带，这是正常现象，为什么？如蓝白色充满全管，说明管内被电离击穿，应立即降低（用锯齿波扫描时，应先把栅压改为直流），以保护F-H管不损坏。（3）装卸F-H管时因集电极栅极引出头玻壳很薄，务必小心。（4）为达到理想的曲线的第一峰值及谷值，炉温应低些（约为140℃），并把测量放大器的灵敏度适当提高（倍率用档）。（5）函数记录仪需要预热才能正常工作，预热时栅极电压要用直流电源。（6）使用示波器或记录仪时，炉温应尽可能高些，否则易造成管内电流击穿。但温度最好不要超过200℃，否则实验结果不理想，温度再高时，甚至得不到实验结果。同时，示波器的扫描速度适当放慢，轴增益不能太大，记录仪的两轴量程要调节适当，使做出的曲线能充满整个记录图纸。七、附录（1）在1911年，当弗兰克和赫兹开始对气体放电进行研究时，其本意是想找出直接测出某种气体的电离电势方法，而不是为了证实或检测玻尔的原子理论，他们在众多的实验方法中看重勒纳（P.Lenard，1862~1947）的实验方法，并加以改进成示意图3-1的形式，由于当时还没有玻尔理论，他们竟把误认为是水银原子的电离电位。还是玻尔自己在1915年指出这个错误，认为，并不是水银的电离电位，而是水银原子的第一激发电位，相当于从基态跃迁到第一激发态所需的能量，对应帕邢（Paschen）系第一谱线的频率，这一结果使F-H实验的价值一下子提高了许多。因为它是第一个强有力证实玻尔原子理论的实验。遗憾的是弗兰克和赫兹开始并没有认识到玻尔理论的重大意义，直到1919年，才正式承认玻尔的解释是正确的。（2）弗兰克-赫兹实验中，电子在积聚能量的过程中与原子之间所进行的碰撞，更多的是弹性碰撞。但原子态的电子碰撞激发，并非如一般书中所述是简单的非弹性碰撞过程的能量转移，它还包含明显的电子交换机制，使得碰撞激发前后粒子