夫兰克-赫兹实验(冲突2012-09-23 18-32-52)

夫兰克—赫兹实验南京理工大学物理实验中心一、背景介绍二、实验目的三、实验原理四、实验仪器五、实验内容与步骤六、注意事项七、思考题提纲一、背景介绍为了研究原子内部的能量问题，1914年弗兰克和赫兹使用了简单有效的方法，用低速电子去轰击原子，观察他们之间的相互作用和能量传递过程，并在这种作用下研究原子的行为——观察受激原子所发出的辐射，从而证明了原子内部能级的存在，为玻尔提供了直接而且是独立的试验证据。他们因这一工作而于1925年获得了诺贝尔奖金。二、实验目的通过汞原子第一激发电位的问题测量了解夫兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化时所采用的基本实验方法了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图象和影响这个过程的主要物理因素三、实验原理原子是由原子核和围绕核沿各种不同轨道旋转的电子组成一定轨道上的电子具有一定的能量。基态——电子处于最低能量的轨道上激发态——电从低能态轨道跃迁到高能态轨道上原子只能处于定态每一定态对应一独立不连续的能量当原子从一定态过渡到另一定态时会吸收或放出一定频率的电磁辐射，频率的大小取决于两定态能量的能量差。★原子状态的改变通常由两种原因产生原子本身吸收和发出电子发射。原子与电子发生碰撞发生而交换能量弹性碰撞非弹性碰撞★电子与气体原子的弹性碰撞电子平均自由程λ：描述电子与气体原子互作用的频率，它随温度的变化很大。电子从电场获得的能量K=eEl经历一次弹性碰撞损失的能量为fε如果K>fε电子平均动能和平均速度将不断增加，电子就有可能获得足够的能量与气体原子发生非弹性碰撞。跃迁到态原子，极短时内通过自发辐射跃迁退激回基态。按玻尔理论，辐射出能量为4.9eV的光量子，其波长为2537Å。规定：汞原子基态的能量为零离其最近的短寿命激发态为:态(简称)其能量为4.9eV。★电子与原子的非弹性碰撞说明:（1）态是汞的最低激发态，其能量为4.7eV,但由于此态为亚稳定态，寿命很长，一般试验条件下，不易测出4.7eV的能量损失。（2）各能态的激发概率和电子平均自由程的长短决定了电子能否将汞原子激发到其他较高的激发电位。

本实验中当UGK≥4.9V时，汞蒸汽开始发光,并获得了波长为2537Å的谱线。这说明电子损失的能量使汞原子从基态跃迁到态,称使汞原子激发到态的加速电位差为汞的第一激发电位。

夫兰克和赫兹实验就是利用一定能量的电子与汞、氖等原子碰撞实现原子的改变。

实验原理图如下：

在汞的F-H管内，电子由热阴极K发射,然后在阴极K和栅极G之间加速电UGK作用下加速，阴极A与栅极G之间有反向电压－UAG。当电子与KG内产生非弹性碰撞时，一部分能量使汞原子激发,电子剩于能量不足以克服反向拒斥电压而冲不过GA空间反斥回栅极，阳极A接到电子显著减少，形成为电流突然下降。当电子通过KG空间到达GA空间，如果E≥eUGA

就通过反向斥拒电场到达阳极形成阳极电流。曲线特点:（1）随UGK的增大，板流IA显示出一系列极大值和极小值。（2）各极大值或极小值之间间距为4.9V。IA-UGK变化曲线如下图：真空状态下F-H管的电流特性

饱和电流对灯丝温度和脱出功的变化十分敏感。1.|UGK|≤|UAG|=0如图OA2.|UGK|>|UAG|UGK

较小时

F-H管工作在空间电荷极限

区域,IA&如图AB段UGK

足够大时

F-H管工作在空间加速区电流达到饱和状态,如图BC段

四、实验仪器

夫兰克－赫兹试验是由以下三部分组成：夫兰克－赫兹管温控加热炉微电流测量发大器体效应管1、夫兰克－赫兹管：夫兰克－赫兹管结构像一个三极管，有阴极K，网状栅极G，接收电流的平面板极A。管子内部有汞，当温度炉温升高，汞汽化成为汞蒸汽充满管子。2、加热炉：

控温加热炉内装有F－H管，为F-H管提供试验温度环境。热电子通过F-H管所形成的弱电流经一输入到微电流放大器。栅极G:G与一之间加拒斥电压，G与K之间加栅极。K与G之间为栅压，K与H间为灯丝电压。3、微电流测量放大器：倍率选择:电流表换档；满度调节时用*FULL的档。显示栅压值测量电流第一工作状态：R激发态；I电离态栅极电压：通过调节栅压从而改变电子－汞原子碰撞几率，最终在微安表上表现为电流的变化。仪器对实验的影响（1）F-H管的阴极和栅极往往是用不同金属材料制成，因此会产生接触电势差,使得真正加到电子上的加速电压是UGK与接触电压的代数和。（2）灯丝的温度对发射电子初始动能有一定影响,但一般温度下灯丝发射的电子其能量分散小于零点几个电子伏特。五、实验内容与步骤（1）了解各试验仪器的性能、操作方法和注意事项；（2）接通加热炉电源,将温控旋钮定在180℃加热；（3）接通微电流测量仪电源使其预热，15~30分钟后进行调零和“满度”校准；（4）将测量仪的“栅压选择”拨向“DC”,“栅压调节”至最小，按图实线部分连接电路；（5）将灯丝电压调至6.3伏；（6）观察加热炉温度使稳定到180℃；（7）将“倍律”旋钮拨到“×10－6”档，缓慢旋转“栅压调节”旋钮,增大UGK，观察IA的变化;（8）在已观察到IA的起伏变化后,将”栅压电压”旋至最小，然后逐点测出汞原子的IA-UGK曲线,在峰顶和谷底附近，UGK间隔应尽量取小些;（9）改变加热炉温度，在同一座标纸上画出不同温度条件下的IA—UGK曲线;实验数据处理：实验数据U灯丝=1.2VUG1K=2.2VUG2K=0.8V炉温180℃六、注意事项1、如用充汞管则应先开启加热电炉至实验值，再开启其他电源。2、不同的实验条件有不同的UG2K击穿值，击穿一旦发生应立即调低UG2K，以免夫兰克－赫兹管受损。3、灯丝电压不宜放得过