夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)第1頁(yè)/共24頁(yè)[簡(jiǎn)介]

在原子物理學(xué)的發(fā)展中，丹麥物理學(xué)家玻爾（N.Bohr）因?yàn)樵?913年發(fā)表了原子模型而獲得了1922年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1914年，德國(guó)科學(xué)家夫蘭克（J.Franck）和赫茲（G.Hertz）用慢電子與稀薄氣體原子碰撞的方法，使原子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)。他們對(duì)電子與原子碰撞時(shí)能量交換的研究所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律性，直接證明了原子能級(jí)的存在，即原子能量的量子化現(xiàn)象。夫蘭克和赫茲的實(shí)驗(yàn)證明了玻爾原子理論的正確性，因而，他們獲得了1925年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這就是原子物理學(xué)上著名的“夫蘭克—赫茲”實(shí)驗(yàn)。第2頁(yè)/共24頁(yè)玻爾的原子模型原子只能存在于某些特定能級(jí)En能量變化只能是某些定值Em-En第3頁(yè)/共24頁(yè)例：氬原子Ar只考慮基態(tài)能量E1

第一激發(fā)態(tài)E2eU0=E2-E1（e為電子電量）U0被稱為氬原子的第一激發(fā)電位第4頁(yè)/共24頁(yè)電子與原子碰撞電子能量E<eU0

電子和氬原子只發(fā)生彈性碰撞，

能量交換很小可忽略不計(jì)電子能量E≥eU0

電子和氬原子發(fā)生非彈性碰撞，

電子將損失一整份eU0的能量，

氬原子吸收此能量后躍遷到激發(fā)態(tài)電子-原子交換能量為定值第5頁(yè)/共24頁(yè)實(shí)驗(yàn)思路電子能量損失為定值電子-原子能量的交換是量子化的原子能量量子化，能級(jí)存在第6頁(yè)/共24頁(yè)夫蘭克—赫茲管的結(jié)構(gòu)及工作原理第7頁(yè)/共24頁(yè)陰極K發(fā)射電子加速電壓VG2K使電子加速，獲得能量E=eVG2K。電子與氬原子碰撞損失部分能量，到達(dá)第二柵極G2時(shí)剩余能量記作E’。拒斥電壓VG2A（反向）鑒定電子剩余能量：

E’>eVG2A的電子到達(dá)板極A形成電流IA

E’<eVG2A的電子則被VG2A彈回，

IA=0IAE’

電子損失能量定值E=eVG2K第8頁(yè)/共24頁(yè)實(shí)驗(yàn)方法給定燈絲電壓、VG1K、VG2A；緩慢增加VG2K，測(cè)出相應(yīng)的板極電流IA。理論上，IA與VG2K的對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)如圖所示。第9頁(yè)/共24頁(yè)0~a~b電子能量小于eU0，彈性碰撞b點(diǎn)電子能量E=eVG2K=eU0，非彈性碰撞

電子損失能量eU0，剩余能量為E’=0。E’<eVG2A，電子不能到達(dá)板極，電流降為0。b~c~d電子碰一次后，E’<eU0，重復(fù)0~a~b。d點(diǎn)電子先后碰兩次，E’=e·2U0-2eU0=0，

同b點(diǎn)一樣，電流降為0。第10頁(yè)/共24頁(yè)每次VG2K=nU0時(shí)，電流都會(huì)降到0。理論上，IA~VG2K曲線呈鋸齒狀，測(cè)出這樣的曲線即可證明每次電子-原子碰撞時(shí)，電子損失能量都是定值eU0，從而可以證實(shí)能級(jí)的存在。同時(shí)，測(cè)出每次電流降為0時(shí)對(duì)應(yīng)的加速電壓U0、2U0…，即可計(jì)算出氬原子的第一激發(fā)電位U0。第11頁(yè)/共24頁(yè)實(shí)際電流圖1、曲線平滑過(guò)渡。電子初始能量并不完全相同，有的快些，有的慢些。碰撞有先后。2、IA一般不會(huì)降到零。碰撞有一定的幾率，一些電子沒(méi)有碰撞形成殘余電流IA。第12頁(yè)/共24頁(yè)實(shí)驗(yàn)步驟一、1、關(guān)閉電源，連線并檢查，務(wù)必詳細(xì)檢查無(wú)誤后方可開(kāi)機(jī)。2、預(yù)熱

選手動(dòng)方式，將電流量程，燈絲電壓，VG1K電壓，VG2A電壓調(diào)至儀器箱上蓋標(biāo)牌上規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，將VG2K設(shè)置為30v，保持手動(dòng)方式，（不要按“啟動(dòng)”，不要按“自動(dòng)”）3~5分鐘后預(yù)熱即完成。第13頁(yè)/共24頁(yè)二、測(cè)量U0測(cè)量過(guò)程用聯(lián)機(jī)測(cè)試方式完成。全部在電腦上操作，由電腦控制儀器，儀器上不需再手動(dòng)設(shè)置。第14頁(yè)/共24頁(yè)1、第一次測(cè)量：用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)測(cè)繪IA~UGK曲線。a.實(shí)驗(yàn)儀器置自動(dòng)測(cè)試狀態(tài)；計(jì)算機(jī)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，“用戶”、“密碼”均為“sa”。b.點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)通訊—開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”；“工作方式”采用“聯(lián)機(jī)測(cè)試”；“儀器號(hào)”采用“1/A設(shè)備”；進(jìn)入“下一步”。學(xué)號(hào)、姓名之類可寫可不寫。第15頁(yè)/共24頁(yè)c．記錄儀器箱上蓋標(biāo)牌所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并輸入程序中，標(biāo)牌上有的都要輸入，特別是電流量程應(yīng)選擇1uA，另外Vstop=85v。（原為80.0v）

標(biāo)牌沒(méi)有的參數(shù)保持原樣。單擊“下一步”，電腦自動(dòng)測(cè)繪IA~VG2K曲線。第16頁(yè)/共24頁(yè)d．讀數(shù)：讀出各峰值、谷值的電壓、電流數(shù)據(jù)（注意電流單位）共約12個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)兩數(shù)據(jù)。

慢慢滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪，可使曲線上下平移。1、移動(dòng)十字準(zhǔn)線，左下角窗口可直接讀數(shù)。2、如需精確讀數(shù)，可點(diǎn)擊窗口右下的“<<”按鈕，調(diào)出曲線測(cè)量數(shù)據(jù)查找準(zhǔn)確讀數(shù)。第17頁(yè)/共24頁(yè)2、第二次測(cè)量：改變燈絲電壓關(guān)閉并重新打開(kāi)程序，設(shè)置參數(shù)時(shí)改變燈絲電壓，在標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)上加或減0.1V，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)繪曲線。分析F-H實(shí)驗(yàn)曲線的變化并討論其原因。（提示：燈絲電壓影響陰極發(fā)射的電子數(shù)目）加或減只需變化一次。第18頁(yè)/共24頁(yè)3、第三次測(cè)量：改變拒斥電壓VG2A回到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，改變拒斥電壓VG2A，在標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)上加或減2V，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)繪曲線。分析F-H實(shí)驗(yàn)曲線的變化并討論其原因。第19頁(yè)/共24頁(yè)其它實(shí)驗(yàn)方式本實(shí)驗(yàn)也可采用手動(dòng)或自動(dòng)模式。電流圖可以輸出至示波器顯示。以上內(nèi)容了解即可，本次實(shí)驗(yàn)不做。第20頁(yè)/共24頁(yè)數(shù)據(jù)記錄及處理自行設(shè)計(jì)表格記錄數(shù)據(jù)。1．由各波谷的電位求出第一激發(fā)電位U0。（波峰誤差較大，不用）(1)前后波谷電壓相減取平均。（必須做） (2)如有6組U谷，可用逐差法計(jì)算。（附加）2．將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的U0與公認(rèn)值11.55V比較,求出百分差

3.

畫圖：用毫米方格紙畫出IA~VG2K曲線。測(cè)量三組數(shù)據(jù)，每組都要完成1~3的要求。第21頁(yè)/共24頁(yè)[思考題]

1．本實(shí)驗(yàn)裝置能否測(cè)氬原子第二激發(fā)電位？為什么？2．依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從以下幾方面分析燈絲電壓、拒斥電壓對(duì)F-H試驗(yàn)曲線的影響：電流大小如何變化？曲線是否有左右平移現(xiàn)象？改變參數(shù)后，測(cè)得U0有沒(méi)有變