夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)(沖突2012-09-23 18-32-52)

夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)?zāi)暇├砉ご髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心一、背景介紹二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜?、?shí)驗(yàn)原理四、實(shí)驗(yàn)儀器五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟六、注意事項(xiàng)七、思考題提綱一、背景介紹為了研究原子內(nèi)部的能量問(wèn)題，1914年弗蘭克和赫茲使用了簡(jiǎn)單有效的方法，用低速電子去轟擊原子，觀察他們之間的相互作用和能量傳遞過(guò)程，并在這種作用下研究原子的行為——觀察受激原子所發(fā)出的輻射，從而證明了原子內(nèi)部能級(jí)的存在，為玻爾提供了直接而且是獨(dú)立的試驗(yàn)證據(jù)。他們因這一工作而于1925年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)金。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)汞原子第一激發(fā)電位的問(wèn)題測(cè)量了解夫蘭克和赫茲在研究原子內(nèi)部能量量子化時(shí)所采用的基本實(shí)驗(yàn)方法了解電子和原子碰撞和能量交換過(guò)程的微觀圖象和影響這個(gè)過(guò)程的主要物理因素三、實(shí)驗(yàn)原理原子是由原子核和圍繞核沿各種不同軌道旋轉(zhuǎn)的電子組成一定軌道上的電子具有一定的能量。基態(tài)——電子處于最低能量的軌道上激發(fā)態(tài)——電從低能態(tài)軌道躍遷到高能態(tài)軌道上原子只能處于定態(tài)每一定態(tài)對(duì)應(yīng)一獨(dú)立不連續(xù)的能量當(dāng)原子從一定態(tài)過(guò)渡到另一定態(tài)時(shí)會(huì)吸收或放出一定頻率的電磁輻射，頻率的大小取決于兩定態(tài)能量的能量差。★原子狀態(tài)的改變通常由兩種原因產(chǎn)生原子本身吸收和發(fā)出電子發(fā)射。原子與電子發(fā)生碰撞發(fā)生而交換能量彈性碰撞非彈性碰撞★電子與氣體原子的彈性碰撞電子平均自由程λ：描述電子與氣體原子互作用的頻率，它隨溫度的變化很大。電子從電場(chǎng)獲得的能量K=eEl經(jīng)歷一次彈性碰撞損失的能量為fε如果K>fε電子平均動(dòng)能和平均速度將不斷增加，電子就有可能獲得足夠的能量與氣體原子發(fā)生非彈性碰撞。躍遷到態(tài)原子，極短時(shí)內(nèi)通過(guò)自發(fā)輻射躍遷退激回基態(tài)。按玻爾理論，輻射出能量為4.9eV的光量子，其波長(zhǎng)為2537?。規(guī)定：汞原子基態(tài)的能量為零離其最近的短壽命激發(fā)態(tài)為:態(tài)(簡(jiǎn)稱(chēng))其能量為4.9eV?！镫娮优c原子的非彈性碰撞說(shuō)明:（1）態(tài)是汞的最低激發(fā)態(tài)，其能量為4.7eV,但由于此態(tài)為亞穩(wěn)定態(tài)，壽命很長(zhǎng)，一般試驗(yàn)條件下，不易測(cè)出4.7eV的能量損失。（2）各能態(tài)的激發(fā)概率和電子平均自由程的長(zhǎng)短決定了電子能否將汞原子激發(fā)到其他較高的激發(fā)電位。

本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)UGK≥4.9V時(shí)，汞蒸汽開(kāi)始發(fā)光,并獲得了波長(zhǎng)為2537?的譜線(xiàn)。這說(shuō)明電子損失的能量使汞原子從基態(tài)躍遷到態(tài),稱(chēng)使汞原子激發(fā)到態(tài)的加速電位差為汞的第一激發(fā)電位。

夫蘭克和赫茲實(shí)驗(yàn)就是利用一定能量的電子與汞、氖等原子碰撞實(shí)現(xiàn)原子的改變。

實(shí)驗(yàn)原理圖如下：

在汞的F-H管內(nèi)，電子由熱陰極K發(fā)射,然后在陰極K和柵極G之間加速電UGK作用下加速，陰極A與柵極G之間有反向電壓－UAG。當(dāng)電子與KG內(nèi)產(chǎn)生非彈性碰撞時(shí)，一部分能量使汞原子激發(fā),電子剩于能量不足以克服反向拒斥電壓而沖不過(guò)GA空間反斥回柵極，陽(yáng)極A接到電子顯著減少，形成為電流突然下降。當(dāng)電子通過(guò)KG空間到達(dá)GA空間，如果E≥eUGA

就通過(guò)反向斥拒電場(chǎng)到達(dá)陽(yáng)極形成陽(yáng)極電流。曲線(xiàn)特點(diǎn):（1）隨UGK的增大，板流IA顯示出一系列極大值和極小值。（2）各極大值或極小值之間間距為4.9V。IA-UGK變化曲線(xiàn)如下圖：真空狀態(tài)下F-H管的電流特性

飽和電流對(duì)燈絲溫度和脫出功的變化十分敏感。1.|UGK|≤|UAG|=0如圖OA2.|UGK|>|UAG|UGK

較小時(shí)

F-H管工作在空間電荷極限

區(qū)域,IA&如圖AB段UGK

足夠大時(shí)

F-H管工作在空間加速區(qū)電流達(dá)到飽和狀態(tài),如圖BC段

四、實(shí)驗(yàn)儀器

夫蘭克－赫茲試驗(yàn)是由以下三部分組成：夫蘭克－赫茲管溫控加熱爐微電流測(cè)量發(fā)大器體效應(yīng)管1、夫蘭克－赫茲管：夫蘭克－赫茲管結(jié)構(gòu)像一個(gè)三極管，有陰極K，網(wǎng)狀柵極G，接收電流的平面板極A。管子內(nèi)部有汞，當(dāng)溫度爐溫升高，汞汽化成為汞蒸汽充滿(mǎn)管子。2、加熱爐：

控溫加熱爐內(nèi)裝有F－H管，為F-H管提供試驗(yàn)溫度環(huán)境。熱電子通過(guò)F-H管所形成的弱電流經(jīng)一輸入到微電流放大器。柵極G:G與一之間加拒斥電壓，G與K之間加?xùn)艠O。K與G之間為柵壓，K與H間為燈絲電壓。3、微電流測(cè)量放大器：倍率選擇:電流表?yè)Q檔；滿(mǎn)度調(diào)節(jié)時(shí)用*FULL的檔。顯示柵壓值測(cè)量電流第一工作狀態(tài)：R激發(fā)態(tài)；I電離態(tài)柵極電壓：通過(guò)調(diào)節(jié)柵壓從而改變電子－汞原子碰撞幾率，最終在微安表上表現(xiàn)為電流的變化。儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響（1）F-H管的陰極和柵極往往是用不同金屬材料制成，因此會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差,使得真正加到電子上的加速電壓是UGK與接觸電壓的代數(shù)和。（2）燈絲的溫度對(duì)發(fā)射電子初始動(dòng)能有一定影響,但一般溫度下燈絲發(fā)射的電子其能量分散小于零點(diǎn)幾個(gè)電子伏特。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（1）了解各試驗(yàn)儀器的性能、操作方法和注意事項(xiàng)；（2）接通加熱爐電源,將溫控旋鈕定在180℃加熱；（3）接通微電流測(cè)量?jī)x電源使其預(yù)熱，15~30分鐘后進(jìn)行調(diào)零和“滿(mǎn)度”校準(zhǔn)；（4）將測(cè)量?jī)x的“柵壓選擇”撥向“DC”,“柵壓調(diào)節(jié)”至最小，按圖實(shí)線(xiàn)部分連接電路；（5）將燈絲電壓調(diào)至6.3伏；（6）觀察加熱爐溫度使穩(wěn)定到180℃；（7）將“倍律”旋鈕撥到“×10－6”檔，緩慢旋轉(zhuǎn)“柵壓調(diào)節(jié)”旋鈕,增大UGK，觀察IA的變化;（8）在已觀察到IA的起伏變化后,將”柵壓電壓”旋至最小，然后逐點(diǎn)測(cè)出汞原子的IA-UGK曲線(xiàn),在峰頂和谷底附近，UGK間隔應(yīng)盡量取小些;（9）改變加熱爐溫度，在同一座標(biāo)紙上畫(huà)出不同溫度條件下的IA—UGK曲線(xiàn);實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)U燈絲=1.2VUG1K=2.2VUG2K=0.8V爐溫180℃六、注意事項(xiàng)1、如用充汞管則應(yīng)先開(kāi)啟加熱電爐至實(shí)驗(yàn)值，再開(kāi)啟其他電源。2、不同的實(shí)驗(yàn)條件有不同的UG2K擊穿值，擊穿一旦發(fā)生應(yīng)立即調(diào)低UG2K，以免夫蘭克－赫茲管受損。3、燈絲電壓不宜放得過(guò)