大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)

1、 夫蘭克- -赫茲實(shí)驗(yàn)中國(guó)民航飛行學(xué)院中國(guó)民航飛行學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)室 2009.92009.9背景背景 1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾年，丹麥物理學(xué)家玻爾（NBohr）提出了一個(gè)氫原子模型，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)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)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)較高能態(tài)向另一個(gè)較低能態(tài)躍遷時(shí)的輻射。的輻射。 NBohr （波爾）（波爾）(1885-1962)背景背景o19

2、141914年，夫蘭克（年，夫蘭克（J JFrank)Frank)和赫茲和赫茲(G.Hertz(G.Hertz）采用慢電子轟擊原子的方法，利用兩者的非彈性碰）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19251925年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 JAMES FRANCK （夫蘭克）（夫蘭克） (1882-19

3、64) GUSTAV HERTZ（赫茲）（赫茲） (1887-1975)背景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)中用的要手段之一，實(shí)驗(yàn)中用的“拒斥電壓拒斥電壓”篩去小能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)。量電子的方法，己成為廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 目的目的 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)儀器實(shí)驗(yàn)儀器 原理原理 激發(fā)電位激發(fā)電位 夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)原理夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)原理 激發(fā)電位激發(fā)電位 玻爾理論玻爾理論指出，原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（即定態(tài)定態(tài)），

4、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)躍遷到另一個(gè)定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時(shí)，輻射頻率是一定的。E0（基態(tài)）（基態(tài)）E1（第一激發(fā)態(tài)）（第一激發(fā)態(tài)）（第二激發(fā)態(tài)）（第二激發(fā)態(tài)）E2mnhvEE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E E0 0 ，第一激發(fā)態(tài)的能量為E E1 1 ，初速為零的電子在電位差為U U0 0 的加速電場(chǎng)作用下，獲得能量為eUeU0 0 ，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eUeU0 0 E E1 1- E- E0 0時(shí)，電子與氬

5、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eUeU0 0 E E1 1- E- E0 0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 E能量而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)， eUeU0 0 = E= E E= E1 1- E- E0 0 ，相應(yīng)的電位差U U0 0，即為氬原子的第一激發(fā)電位。夫蘭克夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理赫茲實(shí)驗(yàn)原理夫蘭克夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)電路原理赫茲實(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 G2G1-K：加速電場(chǎng) G2-K：加速電場(chǎng) G2-A：拒斥電場(chǎng)oIA UG2K

6、曲線曲線實(shí)驗(yàn)步驟實(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 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，注：為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的唯一性，V VG2KG2K的值必須從小到的值必須從小到 大單向調(diào)節(jié)大單向調(diào)節(jié)，不可在過(guò)程中

7、反復(fù)；記錄完成最后，不可在過(guò)程中反復(fù)；記錄完成最后一一 組數(shù)據(jù)后，立即按組數(shù)據(jù)后，立即按“啟動(dòng)鍵啟動(dòng)鍵”將將V VG2KG2K電壓快速歸電壓快速歸零零?！縑G2K電壓歸零等候等候5分鐘，重復(fù)上述步驟，再次測(cè)量分鐘，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)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)繪夫蘭克赫茲管的板流IP P與加速電壓U2 2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U UF F 、柵極電壓U U1 1減速電壓U U3 3等參數(shù)。手調(diào)加速電壓U U2 2，記錄I IP PU U2 2對(duì)應(yīng)的數(shù)值，手工描繪出I IP PU U2 2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)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)驗(yàn)完畢，立即將VG2K電壓快速歸零 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)