夫蘭克-赫茲實驗報告.doc

夫蘭克-赫茲實驗一實驗簡介1914年弗蘭克(J.Frank)和赫茲(G.Hertz)用電子碰撞原子的方法，觀察測量到了汞的激發(fā)電位和電離電位（即著名的Frank-Hertz實驗）。從而證明了原子等級的存在，為早一年玻爾發(fā)表的原子結(jié)構(gòu)理論的假說提供了有力的實驗證據(jù)。為此他們分享了1925年諾貝爾物理學(xué)獎金。他們的實驗方法至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一。 本實驗應(yīng)用Frank-Hertz實驗方法實現(xiàn)電子氣和Hg原子的碰撞，以觀察Hg原子能級躍遷并對Hg原子第一激發(fā)電位進行測量。通過本實驗可以深刻理解弗蘭克和赫茲在研究原子內(nèi)部能量量子化方面所采用的實驗方法，了解電子與原子碰撞和能量交換過程的微觀圖像。二實驗原理1. 電子與氣態(tài)Hg原子的碰撞利用電子和氣態(tài)Hg原子的碰撞時最容易實現(xiàn)Frank-Hertz實驗的方法。為實現(xiàn)原子從低能級En向高能級Em的躍遷，通?？梢酝ㄟ^吸收確定頻率的光子來實現(xiàn)。而光子的能量等于兩個能級之間的量差，即時，原子吸收全部光子能量，發(fā)生能級躍遷，式中h為普朗克常量。也可以通過使具有一定能量的電子和原子碰撞來實現(xiàn)。若與之碰撞的電子式在電勢差V的加速下，速度從零加到v,則當(dāng)電子的能量滿足時，電子將全部能量交換給你原子。由于Em - En具有確定的值，對應(yīng)的V就應(yīng)該有確定的大小。當(dāng)原子吸收電子能量從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時，相應(yīng)的V稱為原子的第一激發(fā)電位（或中肯電子）。因此，第一激發(fā)電位V所對應(yīng)的就是第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差。出于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它將以輻射光子的形式釋放能量而自發(fā)躍遷到低能級。如果電子的能量達到原子電離的能量，會有電離發(fā)生，相應(yīng)的V稱為原子的電離電位。其中61S0（0ev）為基態(tài)，63P1（4.9ev）為激發(fā)態(tài)，63P0（4.7ev）、63P2（5.47ev）為亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)能量等于63P0，63P1和63P2與基態(tài)61S 0之間的能量差，即當(dāng)能量為4.7 eV，4.9 eV和5.47 eV的電子與Hg原子碰撞時，將有最大的激發(fā)概率實現(xiàn)能級間躍遷。由躍遷的選擇定則，3P0，3P2到3P1的躍遷是禁戒躍遷，即激發(fā)到3P0和3P2的電子不會自發(fā)的以輻射出光子的形式躍遷到基態(tài)，從而有很長的壽命（達10-3s），63P0，63P2被稱為亞穩(wěn)態(tài)。3P1態(tài)電子可在10-810-7s內(nèi)自發(fā)的輻射出波長為265.65nm的光子，處于（紫外波段）躍遷到基態(tài)61P1，且63P1是能量最低的激發(fā)態(tài)，通常被稱為第一激發(fā)態(tài)。2.實驗原理圖：F-H管內(nèi)充汞，燈絲加熱K使其發(fā)射電子，G1控制通過G1的電子數(shù)目，G2加速電子，G1、G2空間較大，提供足夠的碰撞概率，A接收電子，AG2加一扼止電壓，使失去動能的電子不能到達，形成電流。 實驗曲線：1）電子和氣態(tài)Hg原子的碰撞過程及能量交換：碰撞過程和能量交換過程是在F-H管G1G2空間發(fā)生的，在加速場的作用下，電子獲得動能，在與原子的彈性碰撞中，電子總能量損失較小，在不斷的加速場作用下，電子的能量逐漸增大，就有可能與原子發(fā)生非彈性碰撞，使原子激發(fā)到高能態(tài)，電子失去相對應(yīng)的能量，使其不能到達F-H管A極從而不能形成電流。當(dāng)VG2K= 4.7V時，電子在G2，K空間獲得的能量等于4.7eV，與Hg原子發(fā)生非彈性碰撞時，使原子激發(fā)到63P0，此態(tài)較穩(wěn)定，不容易再產(chǎn)生躍遷，故不容易觀察到這個吸收，但電子可以越過這一區(qū)域繼續(xù)加速，使能量超過4.7eVVG2K = 4.9V時電子在G2附近獲得4.9eV的能量，并與Hg原子發(fā)生非彈性碰撞，但電子可以越過這一區(qū)域繼續(xù)加速，使能量超過4.7Ev,Hg原子將被使原子激發(fā)到63P1，引起共振吸收，電子速度幾乎為零，電子不能到達A，因而形成第一個吸收峰。同理，當(dāng)VG2K = 9.8V時，電子與原子發(fā)生兩次非彈性碰撞，在G2處失去動能，形成第二個峰。當(dāng)VG2K = 4.9nV時，將形成第n個峰。2）電子平均自由程對激發(fā)或電離的影響主要由爐溫決定，還與電子速度等有關(guān)。很短，相鄰兩次碰撞間獲得能量小，經(jīng)多次碰撞能量積累到第一激發(fā)態(tài)的能量時，能使原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，不容易激發(fā)到較高能態(tài)。很長，相鄰兩次碰撞間獲得能量大，激發(fā)到高能態(tài)的可能性很大，所以在很長，加速電壓較高，會使某些電子有足夠能量使原子激發(fā)到較高能態(tài)，甚至電離。3. Hg原子能級：Hg原子的能級圖如下圖所示：三實驗儀器F-H管電源組、掃描電源、微電流放大器、F-H管和溫控裝置四、實驗內(nèi)容1. 熟悉實驗裝置，掌握實驗條件。2. 測量汞的第一激發(fā)電位。3. 測量汞的電離電位和高激發(fā)電位。五、實驗指導(dǎo)實驗重點：1. 理解電子和原子碰撞的理論及產(chǎn)生和觀察原子能級躍遷的方法2. 理解充汞蒸氣的四極F-H管的工作原理及實驗的線路設(shè)計圖。3. 能正確設(shè)置F-H管的工作條件，獲得F-H管的IP-VG2K 曲線，并正確進行數(shù)據(jù)處理，獲得Hg的第一激發(fā)電位和電離電位。實驗難點：1. 控制F-H管內(nèi)氣化汞原子的密度，即控制管內(nèi)的汞氣壓式實驗成敗的關(guān)鍵，應(yīng)如何判斷和控制F-H管內(nèi)的汞原子的密度。2.F-H管的各參數(shù)，包括燈絲電壓，UG1K，UG2K，UG2A對實驗的影響。操作指導(dǎo)一、主窗口在系統(tǒng)主界面上選擇“弗蘭克赫茲實驗”并單擊，即可進入本仿真實驗平臺，顯示平臺主窗口實驗室場景（圖1）。單擊鼠標(biāo)右鍵可彈出實驗主菜單。二、主菜單1系統(tǒng)：分兩項子菜單。(1) 介紹。為本實驗的簡介。在菜單項上單擊鼠標(biāo)可進入相應(yīng)的項。(2) 退出?；氐较到y(tǒng)主界面。2實驗預(yù)習(xí)題。這是做實驗以前的思考題，要求學(xué)生在開始實驗之前閱讀和思考。3實驗原理。(1) 實驗原理。詳細(xì)敘述實驗的基本原理和操作中的注意事項。左上角為實驗電路圖，圖中藍色管狀物為FH管，Ug2k連續(xù)掃描，右邊的變阻器調(diào)節(jié)燈絲電壓Vf。右上角的兩個旋鈕分別調(diào)節(jié)溫度和Vf的大小，調(diào)節(jié)溫度和Vf到適當(dāng)大小時，左下角顯示曲線圖，曲線隨溫度和Vf大小而改變。調(diào)節(jié)時可參看右下角的實驗原理說明。當(dāng)溫度和Vf調(diào)節(jié)合適后在屏幕上按右鍵彈出選擇菜單，選擇實驗原理的演示模式?！皩嶒炚f明”為波形掃描，“手工調(diào)節(jié)”為缺省模式，顯示最后繪出的波形曲線。如圖6。 (2) 實驗的理想和經(jīng)典曲線（圖7）。 圖74第一電位的測量：(1) 選擇“實驗說明”，彈出實驗說明窗口。學(xué)生應(yīng)仔細(xì)閱讀以保證實驗的順利進行。(2) 選擇“實驗過程”，開始實驗。在桌面的儀器上雙擊可彈出相應(yīng)的儀器操作窗口。微電流儀是本實驗的中心，先打開微電流儀的操作面板。然后單擊桌面上的溫度調(diào)節(jié)器（在微電流儀右邊）彈出溫度調(diào)節(jié)窗口，窗口右邊為溫度調(diào)節(jié)旋鈕，左邊為示波器屏幕。調(diào)節(jié)溫度和Vf旋鈕，溫度和Vf數(shù)值在屏幕右上角的數(shù)碼管中顯示。將鼠標(biāo)移到數(shù)碼管上，系統(tǒng)會提示是溫度還是Vf。當(dāng)溫度和Vf未調(diào)節(jié)適當(dāng)時，微電流儀的伏特表和安培表數(shù)碼管均為灰色。調(diào)節(jié)溫度和Vf到合適條件，安培表和伏特表數(shù)碼管均變?yōu)榧t色（表示可用）。 按下MODE按鈕開始實驗。有兩種實驗方法：A. 按下MODE按鈕，即自動模式。儀器自動增加Ug2k，對整個080V進行掃描。B. 關(guān)上MODE按鈕。手動調(diào)節(jié)Ug2k按鈕（在Vf按鈕下面），仔細(xì)觀察電流隨Ug2k的變化。這樣可以反復(fù)觀察同一段范圍內(nèi)的電流變化。在數(shù)字伏特表和安培表上雙擊可彈出安培表表頭。如圖11。實驗過程中調(diào)好溫度和Vf就不應(yīng)再動，否則結(jié)果會不準(zhǔn)確。(3) 實驗數(shù)據(jù)。顯示實驗中所記錄的數(shù)據(jù)供分析。實驗注意事項1 先將溫度調(diào)到設(shè)定值，打開溫控電源，加溫指示燈on亮（綠色），到設(shè)定溫度off指示燈亮（紅色）。2 接線，將Vf，VG1K，VG2P，VG2K的旋鈕調(diào)到最小，到設(shè)定溫度后，再打開兩儀器電源，然后據(jù)爐上標(biāo)簽設(shè)定各電壓值。用“手動”檔測曲線。3 實驗中若產(chǎn)生電離擊穿(電流迅速嚴(yán)重過載)，立即將加速電壓調(diào)到零，減小燈絲電壓，每次減小0.10.2V，重新測曲線。4加熱爐的爐溫較高，移動時應(yīng)注意，導(dǎo)線不要掛在爐壁上。5 在實驗中注意爐溫及燈絲電壓的選擇。六、思考題1燈絲電壓的大小對Ip- VG2K曲線有何影響？答：峰值變大，峰谷也變大。2. 說明溫度對充汞Ip- VG2K管曲線影響的物理機制。 答：使得峰值減小。7、 數(shù)據(jù)記錄與處理 （1）實驗數(shù)據(jù)Ip000.2530.3860.4820.7231.0671.9691.256VG213.13.43.84.04.44.95.15.2Ip1.4021.4371.4991.3881.1280.8640.7800.7720.776VG25.55.66.06.57.07.57.87.98.0Ip0.7920.8230.8670.9961.5472.1473.0403.4963.558VG28.18.28.38.59.09.410.010.510.7Ip3.5593.5413.5043.0642.3681.7411.5411.5171.542VG210.810.911.011.512.012.512.813.013.1Ip1.5922.0502.8604.1315.2895.9185.9594.9353.978VG213.213.614.014.515.015.516.016.516.9Ip2.6992.3752.3332.4442.7114.3136.1317.7248.509VG217.517.818.018.218.419.019.520.020.5Ip