近代物理实验：夫兰赫兹实验

夫兰克赫兹实验历史背景及意义

1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核模型。1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯（E.J.Evans）对光谱的研究，玻尔理论被确立。1914年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发。

1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖。夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。(JAMESFRANCK)(GUSTAVHERTZ)理论基础

根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)，这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率选择定则：(h为普朗克常数)

本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则：

(Ｖ为激发电位)实验原理

充氩夫兰克-赫兹管的基本结构见右图。电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A。μAVVG1KKVG2KG1VG2AG2电子氩原子A灯丝夫兰克—赫兹管结构图注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约2.0伏的电压，用于消除阴极电子散射的影响。设氩原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零的电子在电位差为V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eV<E1-E0时，电子与氩原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氩原子质量小得多，电子能量损失很少。如果eV≥E1-E0=ΔE，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞，氩原子从电子中取得能量ΔE，而由基态跃迁到第一激发态，ΔE=eVC。相应的电位差VC即为氖原子的第一激发电位。在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下图所示的变化曲线.实验内容及操作步骤

实验内容

用自动方式测量氩原子的第一激发电位。

用手动方式测量并在坐标纸上画出I－U曲线图

计算出氩原子第一激发电位

操作步骤（见说明）正确认识电路连接及原理；启动预热；（注：预热开始，就必须设定好以下几个值：V灯、VG1K、VG2A、VG2K，根据仪器给定参数设定正式测量不许拔下仪器前面板上的导线，进行违规连接，以免发生短路，损坏仪器。

在设定各电压值时，必须在给定的量程或范围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏仪器或不能准确显示。

注意事项数据记录U(v)0123456789101111.51212.513I(uA)0数据记录U(v)141516….2222.52323.52424.52526…70I(uA)V2-V1V1V2V3V4V5UG2K(V)0I(uA)V3-V1V4-V1V5-V1

数据处理示意图数据处理根据手调“栅压调