夫蘭克-赫茲實驗

夫蘭克—赫茲實驗任課教師：

一、實驗目的1.學習原子激發的基本過程，加深對原子能級結構的理解；2.通過對相應電壓和微電流的測量，得出氬原子的第一激發電位，驗證原子能級的存在。3.了解氣體放電現象中低能電子與原子間相互作用的實驗思想和方法。二、學史背景原子的有核模型

盧瑟福于1911年提出了原子的有核模型驗證性實驗：α粒子散射實驗原子有核模型與經典電磁理論的矛盾

二、學史背景按經典電磁理論，電子繞核轉動具有加速度，要向周圍空間輻射電磁波，光譜應為連續光譜。但實驗表明：氫原子所發出的光譜為線狀光譜。按經典電磁理論，由于電子繞核運動時，電子能量不斷減少，原子應是一個不穩定系統。但實驗事實是：原子具有高度的穩定性。二、學史背景玻爾的基本假設

1913年，玻爾（N·Bohr）在盧瑟福原子核模型、普朗克的量子概念及愛因斯坦的光子概念引用到原子系統，提出了關于原子模型的三條基本假設，滿意地解釋了氫原子光譜的規律性，為量子理論的建立奠定了基礎，為此玻爾獲得了1922年的諾貝爾物理學獎。玻爾理論的局限性：這個理論本身仍是以經典理論為基礎，它只能解釋氫原子以及類氫原子（如鋰++離子，等）的光譜，在解決其他原子的光譜是就遇到了困難。

二、學史背景玻爾的基本假設

1.軌道角動量量子化假設

在原子內，電子繞核作圓周運動的所有軌道中，只有電子的角動量等于h/2π的整數倍的那些軌道上，運動才是穩定的；2.定態假設

電子在上述假設所允許的任一軌道上運動時，原子處于穩定的運動狀態(稱為定態)，并具有一定的能量E1，

E2，

E3，

E4，……3.躍遷假設(頻率條件)二、學史背景

夫蘭克-赫茲實驗：1914年，夫蘭克（J.Flanck）和赫茲（G.L.Hertz）在研究Hg蒸氣放電現象中，采取低能電子（幾個到幾十個電子伏特）與原子碰撞的辦法，觀察到每隔4.9V電位差，集電極電流都要突降一次。Bohr在1915年針對F-H實驗結果，指出4.9V正是他的能級理論中第一激發電位。夫蘭克—赫茲實驗是近代物理方面的重要實驗之一，實驗采用了與光譜研究相獨立的方法，證實了存在分立的原子能級，即證實了原子內部能量是量子化。

實驗中用的“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法，己成為廣泛應用的實驗技術。夫蘭克和赫茲共同獲得了1925年的諾貝爾物理學獎。N·BOHR

（玻爾）二、學史背景J.FRANCK

（夫蘭克）G.L.HERTZ（赫茲）三、實驗原理電量為e電子，在電壓V1的加速電場作用下獲得動能eV1，通過碰撞使原子從基態E0躍遷到第一激發態E1V1稱為第一激發電位。三、實驗原理當電子的加速電壓VG2<原子第一激發電位V1，電子與原子碰撞沒有發生動能與內能的交換：為“彈性碰撞”。電子與原子的碰撞可分為彈性和非彈性碰撞兩類。當電子的加速電壓VG2≥原子第一激發電位V1，電子與原子碰撞發生動能與內能的交換：為“非彈性碰撞”。三、實驗原理具有四極的F-H管示意圖，如下圖所示。燈絲電壓VF給陰極K加熱，電壓值1.3-5V；控制柵極G1

，作用是加一個正向電壓VG1，用以消除電子在陰極附近的堆積效應，并起到控制電子流大小的作用。VG1值0-6V，一般取在1-2伏。三、實驗原理控制柵極G2很靠近于陽極P，K-G2之間有較大的空間距離。在陰極K與控制柵極G2之間加可調的加速電壓VG2，熱電子從陰極出發經過K-G2之間的電場逐漸加速并與原子碰撞。VG2的取值0-100V。三、實驗原理在G2-P間加一個不太高的減速電壓VP，電子穿過柵極G2后受到G2-P減速電場的作用，只有動能大于eVP的電子才能到達陽極P形成陽極電流Ip。VP的取值10V左右。三、實驗原理

電子從陰極出發經過K-G2之間的電場逐漸加速并與原子碰撞。電子在加速電壓為VG2的電場中獲得的動能為eVG2，當電子的動能大于等于原子的第一激發態的能量，這時電子將自身動能的轉換為原子的內能，使氬原子由基態躍遷到第一激發態，電子的動能因此而減少。這一過程發生的是非彈性碰撞。此后電子在加速電壓的作用下重新加速獲得動能，直到電子的動能重新大于等于原子的第一激發態的能量，將會又一次與氣體原子發生非彈性碰撞。電子失去動能時，IP減小。在VG2電壓增加過程中：

三、實驗原理由此，我們可以得到如圖所示IP-VG2的曲線。曲線上相鄰兩峰（或谷）之間的VG2之差，即為氬原子的第一激發電位。這即證明了氬原子能量狀態的不連續性。電源開關VG2輸出IP輸出自動/手動快速/慢速電壓顯示選擇IP顯示IP放大選擇電壓顯示VF調節VG1調節VP調節VG2調節四、實驗裝置示波器五、實驗內容1.用示波器觀察IP-VG2關系曲線接線：用Q9線“VG2

輸出”接“CH1X”、“IP輸出”接“CH2Y”。將掃描開關調至“自動”擋；掃描速度開關調至“快速”擋；把電流增益波段開關撥至“10nA”擋；將VF

、VG1

、VG2

、VP

旋鈕都調到最小。打開示波器的電源開關，“TIME/DIV”調至“X-Y”檔，信號輸入方式全部打到“DC”檔。接通F-H實驗儀電源開關，電壓指示波段開關依次調至VF、VG1、VP擋,分別調節VF

、VG1、VP電壓至生產廠家標定數值（標在主機上部標簽上）。將VG2

旋鈕調節至最大，調節示波器，可以觀察到穩定的氬的IP-VG2曲線。五、實驗內容五、實驗內容2.手動測量氬原子第一激發電位把掃描開關調至“手動”擋,調節VG2至最小，然后逐漸增大其值（從10～85V），測量對應的IP

值以及相應的VG2

值，每隔1V記錄一組數據。為了得到波峰的準確位置，在IP

值的極大值附近數據間隔可適當取密一些。數據記錄方法IP

值：表頭示值乘電流增益波段開關選擇的擋位，如表頭顯示“3.23”，電流增益波段開關選擇“10nA”擋，那么實際測量電流值應該為“32.3nA”；VG2值：表頭示值×10V，如表頭顯示“6.35”，那么實際電壓值應為“63.5V”）。列出表格，作出氬的IP-VG2關系曲線圖，得出氬的第一激發電位。數據記錄：

VF=

V;VG1=

V;VP=

V次數n12345678910111213VG2(V)次數n14151617181920212223242526VG2(V)次數n27282930…VG2(V)六、數據記錄與處理六、數據記錄與處理作圖法處理數據

班級:

姓名:

學號:日期:逐差法處理數據六、數據記錄與處理2.第一激發電位：V1=

V2=

V3=V4=

V5=

V6=

1.記錄曲線最高點對應的電壓：七、注意事項1.開