夫蘭克赫茲實驗氬原子第一激發(fā)電勢測定2345JamesFranckGustav

Hertz61913年，偉大的物理學家玻爾(N.Bohr)根據原子光譜的規(guī)律性和盧瑟福(E.Rutherford)的原子核式模型等，提出了原子結構量子理論，成功地解釋了氫原子的光譜，為量子力學的建立起了巨大的推動作用。但玻爾理論的定態(tài)假說與經典的電動力學有明顯沖突，頻率法則又帶有濃厚的人為因素，在當時很難為人們所接受。1914年，夫蘭克(J.Frank)和赫茲(G.Hertz)采用電場加速電子轟擊氣態(tài)汞原引言盧瑟福(Rutherford)原子的核式模型8氫原子光譜圖910子的方法研究汞原子的電離電勢，發(fā)現(xiàn)電子與汞原子碰撞，存在一臨界能量，當電子的能量小于該能量時，電子和汞原子產生彈性碰撞，電子不損失能量，當電子的能量大于該能量時，電子和汞原子產生非彈性碰撞，電子把一定的能量傳遞給汞原子并使其激發(fā)，進而可觀察到汞原子退激發(fā)的譜線，這就是歷史上著名的夫蘭克-赫茲實驗。它為玻爾(N.Bohr)的原子結構量子理論提供了決定性證據，對量子理論的建立具有重要意義。1925年，夫蘭克和赫茲榮獲諾貝爾物理學獎。

11一、實驗目的和任務理解夫蘭克-赫茲實驗的原理，學習原子激發(fā)電勢的測定方法，加深對原子結構的認識。測定氬原子的第一激發(fā)電勢，證實原子能級的存在。

12①原子光譜實驗和量子理論已經證明：原子能夠而且只能夠處于一系列的、不連續(xù)的、具有確定值的能量狀態(tài)(簡稱定態(tài))。在這些狀態(tài)時，不發(fā)射或吸收能量；原子的能量不論通過什么方式發(fā)生改變，它只能由一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)。1、原子結構量子理論圖1氫原子能級圖二、實驗原理13②

原子從一個定態(tài)(En)躍遷到另一個定態(tài)(Em)時將吸收或輻射一定的能量，吸收或輻射的能量只能是這兩個能級的能量差。EmEnEmEn圖2原子吸收和輻射能量示意圖例如，電子碰撞原子可以激發(fā)原子到高能態(tài)。~~~~~14E1圖3原子能級結構示意圖③

原子的第一激發(fā)電勢?；鶓B(tài)第一激發(fā)態(tài)第二激發(fā)態(tài)第

n

激發(fā)態(tài)－E0eU0

=E2E3EnE0E0E0=eU1

eU2eUn==－－－………第一激發(fā)態(tài)我們的任務就是要測定氬原子的第一激發(fā)電勢U0,怎么測？15E1E0E1–E0=eU02、氬原子第一激發(fā)電勢測定分析E1–E0=

E=eU0U0=E/e

E

E怎么測？VAeV如果eV<E1-E2，電子和氬原子產生彈性碰撞，電流無變化。如果eV=E1-E2，電子和氬原子產生非彈性碰撞，氬原子由基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)，能量增加，電子能量很小，不能通過拒斥電場，電流表電流減小。此時

E=eV，由此得：U0=E/e=eV/e=V16A3、實驗儀器結構示意圖V第一柵極第二柵極陰極板極燈絲電源氬原子第一柵極電壓實驗中保持不變燈絲加速電壓實驗中不斷增大

拒斥電壓實驗中保持不變

17A第一柵極第二柵極陰極板極燈絲電源氬原子電子燈絲4、實驗儀器工作原理V消除熱發(fā)射電子在陰極附近空間的電荷堆積，提高陰極的電子發(fā)射能力加速電子使其獲得能量篩選電子，即只允許能量大于或等于eVG2A的電子由第二柵極到達板極A18

電子由陰極K至第二柵極獲得能量：eVG2k

電子由陰極K至第二柵極損失能量：0

電子到達第二柵極處的能量：獲得能量損失能量=eVG2k<eVG2A故IA=019

電子由陰極K至第二柵極獲得能量：eVG2k

電子由陰極K至第二柵極損失能量：0

電子到達第二柵極處的能量：獲得能量損失能量=eVG2k≥eVG2A故IA增加20

電子由陰極K至第二柵極獲得能量：eVG2k

電子由陰極K至第二柵極損失能量：eU0

電子到達第二柵極處的能量：獲得能量損失能量=故IA減小eVG2keU0eVG2A<eVG2keU0顯然21

電子由陰極K至第二柵極獲得能量：eVG2k

電子由陰極K至第二柵極損失能量：eU0

電子到達第二柵極處的能量：獲得能量損失能量=eVG2keU0eVG2A故IA增加≥eVG2keU0顯然2223三、主要實驗儀器夫蘭克一赫茲實驗儀計算機242526

27西華大學物理實驗中心2829四、數據處理18.029.140.251.462.774.130注意事項夫蘭克-赫茲管的供電線路千萬不能接錯。在設置實驗參數時，燈絲電壓應小于4.5V，第一柵壓應小于6.0V，拒斥電壓應小于8.0V，請勿超出此范圍，以免對儀器造成損壞。燈絲電壓、第一柵極電壓、拒斥電壓不能設置的過大或過小。31預祝各位同學實驗順利！32懇請大家賜教，謝謝！3334燈絲電壓：第一柵壓：拒斥電壓：測量步距：時間步距：【實驗數據處理】2.7V11.2編號U1U2U3U4U5U6電壓(V)1.5V6.0V0.1V0