夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)歷史背景及意義

1911年，盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子核模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說運(yùn)用到原子有核模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個(gè)重要概念：原子定態(tài)能級(jí)和能級(jí)躍遷概念。電子在能級(jí)之間遷躍時(shí)伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差，并滿足普朗克頻率定則。隨著英國物理學(xué)家埃萬斯（E.J.Evans）對光譜的研究，玻爾理論被確立。1914年，德國科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用慢電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法(與光譜研究相獨(dú)立)，簡單而巧妙地直接證實(shí)了原子能級(jí)的存在，并且實(shí)現(xiàn)了對原子的可控激發(fā)。

1925年，由于他二人的卓越貢獻(xiàn)，他們獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)至今仍是探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段之一。所以，在近代物理實(shí)驗(yàn)中，仍把它作為傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。(JAMESFRANCK)(GUSTAVHERTZ)理論基礎(chǔ)

根據(jù)玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一種狀態(tài)相應(yīng)于一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)，這些能量值稱為能級(jí)。最低能級(jí)所對應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級(jí)所對應(yīng)的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)就會(huì)吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差，并滿足普朗克頻率選擇定則：(h為普朗克常數(shù))

本實(shí)驗(yàn)中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實(shí)現(xiàn)，并滿足能量選擇定則：

(Ｖ為激發(fā)電位)實(shí)驗(yàn)原理

充氬夫蘭克-赫茲管的基本結(jié)構(gòu)見右圖。電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2A。μAVVG1KKVG2KG1VG2AG2電子氬原子A燈絲夫蘭克—赫茲管結(jié)構(gòu)圖注意：第一柵極和陰極之間的加速電壓約2.0伏的電壓，用于消除陰極電子散射的影響。設(shè)氬原子的基態(tài)能量為E0，第一激發(fā)態(tài)的能量為E1，初速為零的電子在電位差為V的加速電場作用下，獲得能量為eV，具有這種能量的電子與氬原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子能量eV<E1-E0時(shí)，電子與氬原子只能發(fā)生彈性碰撞，由于電子質(zhì)量比氬原子質(zhì)量小得多，電子能量損失很少。如果eV≥E1-E0=ΔE，則電子與氬原子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰撞，氬原子從電子中取得能量ΔE，而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，ΔE=eVC。相應(yīng)的電位差VC即為氖原子的第一激發(fā)電位。在實(shí)驗(yàn)中，逐漸增加VG2K，由電流計(jì)讀出板極電流IA，得到如下圖所示的變化曲線.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

用自動(dòng)方式測量氬原子的第一激發(fā)電位。

用手動(dòng)方式測量并在坐標(biāo)紙上畫出I－U曲線圖

計(jì)算出氬原子第一激發(fā)電位

操作步驟（見說明）正確認(rèn)識(shí)電路連接及原理；啟動(dòng)預(yù)熱；（注：預(yù)熱開始，就必須設(shè)定好以下幾個(gè)值：V燈、VG1K、VG2A、VG2K，根據(jù)儀器給定參數(shù)設(shè)定正式測量不許拔下儀器前面板上的導(dǎo)線，進(jìn)行違規(guī)連接，以免發(fā)生短路，損壞儀器。

在設(shè)定各電壓值時(shí)，必須在給定的量程或范圍之內(nèi)設(shè)值，如果超出范圍，可能會(huì)導(dǎo)致燒壞儀器或不能準(zhǔn)確顯示。

注意事項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄U(v)0123456789101111.51212.513I(uA)0數(shù)據(jù)記錄U(v)141516….2222.52323.52424.52526…70I(uA)V2-V1V1V2V3V4V5UG2K(V)0I(uA)V3-V1V4-V1V5-V1

數(shù)據(jù)處理示意圖數(shù)據(jù)處理根據(jù)手調(diào)“柵壓調(diào)