夫蘭克赫茲實驗-1

夫蘭克赫茲實驗,德國物理學家夫蘭克和赫茲,利用慢電子與淡薄氣體原子碰撞的方法,使原子從低能級激發(fā)到高能級,并通過討論電子與原子碰撞前后電子能量的轉變狀況,測定了氬原子的第一激發(fā)電位,從而直接證明白原子能級的存在。

同時也證明白原子發(fā)生躍遷時汲取和放射能量是完全確定的、不連續(xù)的。

這就是聞名的夫蘭克-赫茲試驗。

它成了玻爾原子理論的一個有的試驗證明,這力兩位物理學家也因此而獲得了1925年的諾貝爾物理獎。

一、[試驗目的]1、通過測定氬原子的第一激發(fā)電位,證明原子能級的存在。

2、通過試驗加深對能級概念的理解。

二、[試驗儀器與裝置介紹]-2型夫蘭克-赫茲試驗儀1、夫蘭克-赫茲管圖34-1本試驗中所用的充氬四極-2型夫蘭克-赫茲管,其結構如圖34-1所示,2、儀器面板功能介紹如圖34-2圖34-21電流量程切換開關2電流表,指示電流值。

=量程切換開關1指示值電流表②讀數100。

3電壓表,與電壓指示切換開關9協作使用,分為、、、122各種電壓,指示、、,。

4電源開關5輸出端口,接至示波器或其它記錄設備軸輸入端口,此端口輸出電2平為的110。

26自動手動切換開關。

接入為“自動”位置,與快速慢速切換開關7及調整旋鈕13協作使用,可選擇電壓掃描速度及范圍;接入“手動”2位置,與13協作使用,手動選擇電壓掃描范圍。

7快速慢速切換開關,用于選擇掃描速度。

只有6選擇“自動”位置時此開關才起作用。

8輸出端口,接至示波器或其它記錄設備軸輸入端口。

9電壓指示切換開關,與電流表3協作使用,可分別指示、、、12各種電壓。

210燈絲電壓調整旋鈕,調整范圍3-,不行過高或過低,調整過程要緩慢,邊調整邊觀看示波器圖形變化,不行消失波形上端切頂現象,否則應降低燈絲電壓。

11、調整旋鈕,-5,,待示波器消失16個峰值時,分別進行、調整,使左至右,從曲線的谷值逐個12抬高。

12調整旋鈕,-15,開頭調至8左右。

213調整旋鈕,自動手動切換開關6置于“手動”時調整范圍0-100,2置于“自動”時調整范圍0-80。

三、[試驗原理]1913年,丹麥物理學家玻爾在盧瑟福的原子核型結構的基礎上,把量子概念應用到原子系統(tǒng),提出了聞名的玻爾原子理論,他指出:1、原子系統(tǒng)存在一系列的穩(wěn)定狀態(tài)簡稱定態(tài),在這些定態(tài),電子雖然作加速運動,但不輻射能量,原子定態(tài)的能量只能取某些分立的不連續(xù)的值,,,,而不能取其12它值。

2、當原子從某一能量為的定態(tài)躍遷到另一能量為的定態(tài)時,原子將放出或吸收肯定頻率的電磁輻射,輻射頻率取決于兩定態(tài)能量之差其中為普朗克常數,1034焦爾秒通常原子狀態(tài)的轉變可通過兩種方法實現,一是讓原子本身汲取或放出肯定能量的電磁輻射,二是讓原子與其他具有肯定能量的粒子發(fā)生碰撞而交換能量,夫蘭克-赫茲試驗就是通過讓具有肯定能量的電子與氬原子相碰撞,從而使氬原子獲得肯定能量而發(fā)生能級狀態(tài)的轉變,并通過直接測量出碰撞時電子傳遞給氬原子的能量值,從而證明原子能級的存在。

試驗中電子和氬原子的碰撞是在夫蘭克-赫茲管內進行的,管中有放射電子的陰極,它由管中的燈絲通電加熱而造成熱電子放射,在陰極與柵極上加有加速電壓,使11電子加速,在陽極板和柵極之間加有反向拒斥電壓,此時,忽視空間電荷分布后,22管內空間的電位分布如圖34-3所示。

圖34-3由陰極發(fā)出的電子經加速電壓加速后,進入2空間,由于此空間反向拒斥電壓2的存在,假如電子能量大于,就能沖過拒斥電場而到達陽極板,形成電流,電流的2大小反映了到達陽極的電子數的多少。

假如電子在2空間與氬原子發(fā)生碰撞,并把自己的一部分能量傳遞給了氬原子而使后者激發(fā),電子本身所剩的能量就余很小,以至通過柵極后已不足以克服反向拒斥電場而到達不了陽極,此時電流將顯著減小。

試驗時可通過調整燈絲電壓來轉變管內的氬原子密度,電壓越高,管中氬原子密度越大,電子與原子的碰撞機會就越多。

設初速度為零的電子在電位差為的加速電場作用下,獲得能量為,當具有這種能量的電子與氬原子發(fā)生碰撞時,就可能會發(fā)生能量的交換,從而使氬原子獲得肯定能量而激發(fā),由玻爾理論可知,如以,分別表示氬原子的基態(tài)能級01和第一激發(fā)態(tài)能量,那么當氬原子獲得從電子傳遞而來的能量恰好為010時,氬原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài),相應的電位差稱為氬原子的第一激發(fā)電位。

0試驗表明,。

0試驗中,由小到大漸漸調整加速電壓,當小于氬原子的第一激發(fā)電位時,220此時電子所獲得的能量較小,不足以激發(fā)氬原子,電子與氬原子在2空間內的碰撞是完全彈性的,由于電子質量遠小于氬原子,電子在碰撞后將保持原有動能不變逐步到達柵極,到達柵極的電子將穿過2空間,到達陽極板,形成電流。

隨著從零漸漸增大,2導致陰極放射電子流的增加以及電子速度的增大,因而極板電流也漸漸增大。

如圖34-4中段所示當等于或稍大于氬原子的第一2激發(fā)電位時,電子在大部分路程中與0氬原子作彈性碰撞,并被電場加速,只有在接近柵極時,才積聚到足夠的能量,從而與氬原子發(fā)生非彈性碰撞,此時氬原子從電子上汲取大小為的能量后從基0態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài),而電子將失去全部或絕大部分能量,從而不能穿過反向拒斥電場,不能到達板,因此陽極電流急劇下降。

如圖34-4中段所示隨著柵極電壓的進一步增加,圖34-42電子的能量也不斷增加,它與氬原子碰撞后,還留下足夠的能量可以克服反向拒斥電場而到達陽極板,這時電流又開頭上升,如圖34-4中段所示,直到2間電壓二倍于氬原子第一激發(fā)電位即2時,電子在柵極2近又附會由于其次次與氬原子發(fā)生非彈性0碰撞而失去能量,并且受到拒斥電場的阻擋而不能到達陽極,電流再次下降。

如圖34-4中段所示同樣的道理,隨著加速電壓的增加,當2=1,2,3,……20時,電子將會在2間的運動過程中與氬原子發(fā)生第三次、第四次……非彈性碰撞,使電流相應下跌,形成具有規(guī)章的―曲線。

如圖34-4所示。

可知,曲線兩相鄰峰值2之間電位差等于氬原子的第一激發(fā)電位。

本試驗的任務就是要測出這條曲線,并由此確定出氬原子的第一激發(fā)電位。

曲線中,極板電流的下降并不是完全突然的,其峰值總有肯定的寬度,這是由于從陰極發(fā)出的電子初始能量并不完全一樣,聽從肯定的統(tǒng)計規(guī)律,另外,由于電子與氬原子的碰撞有肯定的幾率,當大部分的電子恰好在柵極2前使氬原子激發(fā)而損失能量時,明顯會有一些電子躲避了碰撞而直接到達陽極板,因此,極板電流并不下降到零。

試驗中,燈絲電壓對曲線的影響較大,燈絲電壓過大,陰極放射的電子數過多,易使電流達到飽和,引起―曲線堵塞;燈絲電壓過小,參與碰撞的電子數就少,反映不2出非彈性碰撞的能量交換,造成曲線峰谷很弱,甚至得不到峰谷。

燈絲電壓在儀器上有標記。

放射電子在作用下,消退了空間電荷對陰極散射電子的影響,的值在11儀器上有標記。

另外,拒斥電壓對―曲線也有較大的影響,偏小時,起不到22對非彈性碰撞后失去能量的電子的篩除作用,使峰谷差小,太大時,篩除作用太明顯,使許多原來可以到達極板的電子篩去,導致峰谷差小。

的值在儀器上有標記。

2四、[試驗內容]1、將儀器面板上的10-13四個電壓調整旋鈕逆時針旋究竟,量程切換開關1置于“10-7”,輸出端口5和輸出端口8分別用帶9連接頭電2纜連接至示波器或其它設備軸輸入端口和軸輸入端口。

2、假如5和8連接的是示波器,自動手動切換開關6置于“自動”,快速慢速切換開關7置于“快速”,否則7置于“慢速”。

3、打開電壓開關4,接通儀器電源,與電壓指示切換開關9協作使用分別調整1-12,使約為5,,約為8。

124、漸漸調整13可觀看到圖34-4所示的―曲線,調整示波器、各相2關旋鈕,使波形清楚,軸幅度適中,軸滿屏顯示,然后再調儀器面板上的10-13各調整旋鈕,使可觀看到6個峰值或谷值,峰谷幅度適中,無上端切頂現象,從左到右,各谷值逐個抬高。

5、相鄰谷值或峰值所對應之差即顯示屏上相鄰谷值或峰值的水平距離2就是氬原子的第一激發(fā)電位。

6、為提高精確度,比如可測量第一個峰值與第五個峰值所對應的之差,取相鄰2峰值所對應的之差的平均數。

27、假如采納手動進行試驗,可以通過測量相關和的值,在峰值四周應多測幾2組數據,然后在坐標值上作出-曲線,并由曲線上得出各峰值所對應的電2壓,,,,,。

1234568、用逐差法處理數據,求出氬原子的第一激發(fā)電位,并與公認值相比較,計算相0對誤差并分析誤差緣由。

五、[預思索題]1、拒斥電壓在試驗中的作用是什么22、極板電流的峰谷是如何形成的六、[測試記錄與數據處理]1、測-數據,共24組,包括起點、谷值、峰值三個點。

22、逐差法求氬原子第一激發(fā)電位0峰值電壓13300163235245416平均七、[留意事項]1、在測量激發(fā)電位時,調整和時應留意和過大會導致氬原子電離22而形成正離子到達陽極電流突然劇增,直至將夫蘭克-赫茲管燒毀。

所