1、夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn),中國(guó)民航飛行學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)室 2009.9,背景,1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾（NBohr）提出了一個(gè)氫原子模型，并指出原子存在能級(jí)。該模型在預(yù)言氫光譜的觀察中取得了顯著的成功。根據(jù)玻爾的原子理論，原子光譜中的每根譜線表示原子從某一個(gè)較高能態(tài)向另一個(gè)較低能態(tài)躍遷時(shí)的輻射。,NBohr （波爾） (1885-1962),背景,1914年，夫蘭克（JFrank)和赫茲(G.Hertz）采用慢電子轟擊原子的方法，利用兩者的非彈性碰撞將原子激發(fā)到較高能級(jí)。直接證明了原子內(nèi)部量子化能級(jí)的存在，給玻爾的原子理論提供了直接的而且是獨(dú)立于光譜研究方法的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。因此他們獲得了1925年的諾貝

2、爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,JAMES FRANCK （夫蘭克） (1882-1964),GUSTAV HERTZ（赫茲） (1887-1975),背景,夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一，實(shí)驗(yàn)中用的“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法，己成為廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。,目的,1.了解夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的原理和方法。 2.測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位，驗(yàn)證原子能級(jí)的存在。,實(shí)驗(yàn)儀器,原理,激發(fā)電位 夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)原理,激發(fā)電位,玻爾理論指出，原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（即定態(tài)），其中每一狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一定的能量，各定態(tài)的能量是分立的。原子的能量只能從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)。 原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一

3、個(gè)定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時(shí)，輻射頻率是一定的。,通過(guò)具有一定能量的電子與原子碰撞，進(jìn)行能量交換而實(shí)現(xiàn)原子從基態(tài)到高能態(tài)的躍遷。 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U0 的加速電場(chǎng)作用下，獲得能量為eU0 ，具有這種能量的電子與氬原子發(fā)生碰撞。 （1）當(dāng)電子能量eU0 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。 （2）當(dāng)電子能量eU0 E1- E0時(shí),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E能量而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)， eU0 = E= E1- E0 ，相應(yīng)的電位差U0，即為氬原子的第一激

4、發(fā)電位。,夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理,夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)電路原理,F-H管中充滿了氬氣 陰極K：燈絲加熱后，陰極發(fā)射出電子 板極A：接收電子 第一柵極 G1，第二柵極 G2 G1-K：加速電場(chǎng) G2-K：加速電場(chǎng) G2-A：拒斥電場(chǎng),IA UG2K曲線,實(shí)驗(yàn)步驟 ,連接好各組工作電源線，仔細(xì)檢查，確定無(wú)誤 打開電源，將實(shí)驗(yàn)儀預(yù)熱2030分鐘,實(shí)驗(yàn)步驟 ,按下相應(yīng)電流量程鍵，設(shè)定電流量程、燈絲電壓VF、第一加速電壓VG1K、拒斥電壓VG2A的值 （電流量程可參考機(jī)箱蓋上提供的數(shù)據(jù)）。,實(shí)驗(yàn)步驟 ,實(shí)驗(yàn)步驟 ,按下“啟動(dòng)”鍵和“VG2K”檔位鍵，實(shí)驗(yàn)開始。 用電壓調(diào)節(jié)鍵，從0.0V開始，按步長(zhǎng)0.5V的電

5、壓值調(diào)節(jié)電壓源VG2K，到82V止。記錄下每個(gè)VG2K的值和對(duì)應(yīng)的電流值IA 【注：為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的唯一性，VG2K的值必須從小到 大單向調(diào)節(jié)，不可在過(guò)程中反復(fù)；記錄完成最后一 組數(shù)據(jù)后，立即按“啟動(dòng)鍵”將VG2K電壓快速歸零?！?VG2K電壓歸零等候5分鐘，重復(fù)上述步驟，再次測(cè)量 測(cè)試結(jié)束，關(guān)閉電源，整理儀器。,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,測(cè)繪夫蘭克赫茲管的板流IP與加速電壓U2的關(guān)系曲線，測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位U 按圖連接線路。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)卡的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)燈絲電壓UF 、柵極電壓U1減速電壓U3等參數(shù)。 手調(diào)加速電壓U2，記錄IPU2對(duì)應(yīng)的數(shù)值，手工描繪出IPU2相應(yīng)的特性曲線，由此算得氬原子的第一激發(fā)電位。,注意事項(xiàng),儀器應(yīng)該檢查無(wú)誤后才接通電源。 燈絲電壓VF不宜放得過(guò)大，一般在2V左右，如電流偏小再適當(dāng)增加。 要防止F-H管擊穿（電流急劇增大），如發(fā)生擊穿應(yīng)立即調(diào)低電壓VG2以免損壞F-H管。 實(shí)