弗蘭克赫茲實驗理論

1、弗蘭克-赫茲實驗,蔡惠明 王宏偉,,大學物理實驗,弗蘭克 G.赫茲 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975),弗蘭克1882年8月26日出生于德國漢堡。在海德堡大學學了一年化學，1902年入柏林大學學習物理學。1906年在瓦爾堡導師的指導下，獲博士學位。在法蘭克福大學擔任助教，不久

2、又返回柏林大學任助教。1911年獲得柏林大學物理學“大學授課資格”，在柏林大學講課直到1918年（由于戰(zhàn)爭而中斷了教學。戰(zhàn)爭中曾獲一級鐵十字勛章），后成為該大學的物理學副教授。1917年任威廉皇帝物理化學研究所的分部主任。1921年受聘為格丁根大學教授，并擔任第二實驗物理學研究所主任。,,人 物 簡 介,1933年為抗議希特勒反猶太法，弗蘭克公開發(fā)表聲明并辭去教授職務，離開德國去哥本哈根；一年后他移居美國，成為美國公民。1935年— 1

3、938年任約翰·霍布金斯大學物理系教授。1938年起任芝加哥大學物理化學教授，直到1949年退休。第二次世界大戰(zhàn)期間，他參加了研制原子彈有關的工程，但與大多數(shù)科學家一樣，他反對對日本使用原子武器。在芝加哥大學期間，弗蘭克還擔任該校光合作用實驗室主任，對各種生物過程、特別是光合作用的物理化學機制進行了研究。 1964年弗蘭克在訪問格丁根時于5月21日逝世。,G.赫茲1887年7月22日出生于漢堡。他是電磁波的發(fā)現(xiàn)者

4、H.赫茲的侄子。赫茲于1906年進入格丁根大學，后來在慕尼黑和柏林大學學習，1911年畢業(yè)。1913年任柏林大學物理研究所研究助理。第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，赫茲1914年從軍，1915年在一次作戰(zhàn)中負重傷，1917年回到柏林當校外教師。1920年到1925年間，赫茲在埃因霍溫的菲利普白熾燈廠物理研究室工作。1925年赫茲被選為哈雷大學的教授和物理研究所所長。 1928年回到柏林任夏洛騰堡工業(yè)大學物理教研室主任。1

5、935年由于政治原因辭去了主任職務，又回到工業(yè)界，擔任西蒙公司研究室主任。1945年到 1954年在蘇聯(lián)工作，領導一個研究室，這期間他被任命為萊比錫卡爾·馬克思大學物理研究所所長和教授。1961年退休，先后在萊比錫和柏林居住。,1913年赫茲和弗蘭克一起開始研究電子碰撞。 G.赫茲發(fā)表了許多關于電子和原子間能量交換的論文和關于測量電離電勢的論文。有些是單獨完成的，有些是和弗蘭克、克洛珀斯合作的。他還有一些關于分離同

6、位素的著作。 G.赫茲是德國科學院院士，1975年在柏林去世。,1913年丹麥物理學家玻爾（N?Bohr）提出了原子能級的概念并建立了原子模型理論。 該理論指出，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)時不輻射能量，當原子從高能態(tài)（能量Em）向低能態(tài)（能量En）躍遷時才輻射。輻射能量滿足 ?E = Em ? En （1） 對于外界提供的能量，只有滿足原子躍遷到高能級的能級差，原子

7、才吸收并躍遷，否則不吸收。,1914年弗蘭克（J?Franck）和赫茲（GHertz）用慢電子穿過汞蒸氣的實驗，測定了汞原子的第一激發(fā)電位，從而證明了原子分立能態(tài)的存在。后來他們又觀測了實驗中被激發(fā)的原子回到正常態(tài)時所輻射的光，測出的輻射光的頻率很好地滿足了玻爾理論。弗蘭克—赫茲實驗的結果為玻爾的原子模型理論提供了直接證據(jù)，對玻爾的原子理論是一個極有力的支持。 玻爾因原子模型理論獲1922年諾貝爾物理學獎。

8、 弗蘭克與赫茲的實驗于1925年獲諾貝爾物理學獎。弗蘭克——赫茲實驗與玻爾理論在物理學的發(fā)展史中起到了重要的作用。,一、實驗目的：,通過弗蘭克-赫茲實驗了解原子內部能量量子化的 情況。學習 F-H 研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子與原子間 相互作用的實驗思想及實驗方法。用實驗的方法測量氬原子的第一激發(fā)電位,證明 原子分立態(tài)（能級）的存在；,二、實驗儀器,FH2051弗蘭克-赫茲實驗儀 YB4320示波器,三、實

9、驗原理：,玻爾原子理論的兩個基本假設：,(1)定態(tài)假設。原子只能處在一些穩(wěn)定的狀態(tài)中，其中每一狀態(tài)對應一定的能量值Ej ( j = 1，2，3.。。。 )。這些數(shù)值是彼此分立的，不連續(xù)的。 (2)頻率定則。當原子從一個穩(wěn)定狀態(tài)過度到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時，就吸收或放出一定頻率的電磁輻射。,頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)之間的能量差，并滿足如下關系： 其中h = 6.63×10ˉ³4J·s，

10、 稱為普朗克常數(shù)。 ν為頻率，En、Em為兩個 不同定態(tài)的能量,原子狀態(tài)的改變通常在兩種情況下發(fā)生，一是當原子本身吸收或放出電磁輻射時，二是當原子與其他粒子發(fā)生碰撞而交換能量時。本實驗就是利用具有一定能量的電子與氬原子相碰撞而發(fā)生能量交換來實現(xiàn)氬原子狀態(tài)的改變。,由玻爾理論可知，處于基態(tài)的原子發(fā)生狀態(tài)改變時，其所需能量不能小于該原子從基態(tài)躍遷到第一受激態(tài)時所需的能量，這個能量稱為臨界能量。當電子與原子碰

11、撞時，如果電子能量小于臨界能量，則發(fā)生彈性碰撞（電子不損失能量）；若電子能量大于臨界能量，則發(fā)生非彈性碰撞（電子把數(shù)值為△E= E2 - E1 的能量交給氬原子，只保留余下的部分）；,設E2和E1分別為原子的第一激發(fā)態(tài)和基態(tài)量。初動能為零的電子在電位差U0的電場作用下獲得能量eU0，如果 eU0 =hν = E2 - E1 當電子與原子發(fā)生碰撞時，原子將從電子獲取能量而從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。相應的電位差U

12、g就稱為氬原子的第一激發(fā)電位。當電子的能量等于或大于第一激發(fā)能時，原子就開始發(fā)光。,弗蘭克一赫茲實驗原理(如圖1所示)，弗蘭克一赫茲管是一個具有雙柵極結構的柱面型充氬四級管。 陰極K，板極A，第一柵極G1 、第二柵極G2。第一柵極G1的作用主要是消除空間電荷對 陰極電子發(fā)射的影響，提高發(fā)射效率。第一柵極G1與陰極K之間的電位差由 電源UG1 提供。電源Uf加熱燈絲，使旁熱式陰極K被加熱，

13、 從而產生慢電子。掃描電源加在柵極G2和陰極K間，建立一個加速場，使得從陰極發(fā)出的電子被加速，穿過管內氬蒸氣朝柵極G2運動。,圖1弗蘭克-赫茲實驗原理圖,在充氬的弗蘭克-赫茲管中，電子由熱陰極發(fā)出并有熱陰極K和第二柵極G2 之間的加速電壓 VG2 使電子加速。在板極P和第二柵極 G2 之間加有反向拒斥電壓 VP 用以阻礙電子從柵極飛向陽極。當電子通過空間 KG2進入空間 G2P時，如果具有的能量較大（E1-E0>eVP），就

14、能沖過反向拒斥電場而達到陽極形成陽極電流，用微電流計A測出。如果電子在KG2 空間與氬原子碰撞，把一部分能量傳遞給氬原子使其激發(fā)，電子本身所剩余的能量就很小，以至通過第二柵極后以不足克服拒斥電場而被斥回到第二柵極。這時通過微電流計的電流就將明顯減小。,電子在不同區(qū)間的情況： 1. K-G1區(qū)間 電子迅速被 電場加速而獲得能量。 2. G1-G2區(qū)間 電子繼續(xù)從 電場獲得能量并不斷與氬

15、原 子碰撞。當能量小于氬原 子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級 差 ?E＝E2?E1 時，氬原子 基本不吸收電子的能量，碰撞屬于彈性碰撞。當電子的能量達到?E，則在碰撞中被氬原子吸收這部分能量，這時的碰撞屬于非彈性碰撞。?E稱為臨界能量。,圖2弗蘭克-赫茲實驗VG2~Ip曲線圖,,弗蘭克-赫茲管的Ip-VG2曲線,3. G2-A區(qū)間 電子受阻，被拒斥電場吸收能量。當電子進入此區(qū)間時的能量小

16、于Eu, 則不能達到板極。 由此可見，若eνG2<?E，則電子帶著eνG2的能量進入G2-A區(qū)域。隨著νG2的增加，板極電流Ip增加（如圖2中Oa段）形成第一個波峰。若eνG2＝?E則電子在達到G2處剛夠臨界能量，不過它立即開始消耗能量了。繼續(xù)增大νG2，電子能量被吸收的概率逐漸增加，板極電流逐漸下降（如圖2中ab段）形成第一個波谷。,繼續(xù)增大νG2，電子碰撞后的剩余能量也增加，到達板極的電子又會逐漸增多（如圖2中bc段）

17、出現(xiàn)第二個波峰。若eνG2>n?E則電子在進入G2-A區(qū)域之前可能n次被氬原子碰撞而損失能量。板極電流Ip隨加速電壓變化曲線就形成n個峰值，如圖2所示。相鄰峰值之間的電壓差?V稱為氬原子的第一激發(fā)電位。氬原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的能級差 ?E= e?ν,測量氬原子的第一激發(fā)電位。 通過曲線，觀察原子能量量子化情況，證明原子能級的存在，并求出氬原子的第一激發(fā)電位。,四、實驗內容,1

18、.將弗蘭克赫茲儀器 的“信號輸出”與示 波器的“CH1輸入（X）”相連； 儀器的“同步輸出”與示波器的“外接輸入”相連。,五、實驗步驟：,2．打開儀器電源和示波器電源。 將儀器方式設置為掃描，設置燈絲電壓Vf,第一柵壓VG1,拒斥電壓Vp （具體參數(shù)由實驗室提供） 第二柵壓VG2（0-90v)。預熱五分鐘，調節(jié)示波器，在示波器上觀看得 到的Ip-VG2圖， 是否符合實驗 要求（有六個 以上的

19、波峰）。,將方式檔位調到手動檔位調節(jié)加速電壓（VG2）以0.5V為步長，從10.0開始,記錄對應的電流值。當電流出現(xiàn)5個峰后，結束測量。 將實驗裝置恢復為原始狀態(tài)，關閉儀器電源和示波器電源。,★選擇“自動”“快速”檔，調節(jié)VG1、Vp 、Vf 至給定的參數(shù)值，調節(jié)“掃描”旋鈕至最大，調節(jié)示波器，觀察弗蘭克-赫茲實驗曲線。★選擇“手動”“慢速”檔，手動調節(jié)加速電壓VG2， 使圖形出現(xiàn)5個完整的波峰、波谷，認真記錄數(shù)據(jù)，在

20、峰、谷附近多測幾組數(shù)。 （逐漸調節(jié)VG2，穩(wěn)定工作范圍為0 ～90V之間）提示：我們實驗室有兩種儀器，使用時注意各自標注的參數(shù)。,六：數(shù)據(jù)處理要求,1.整理原始數(shù)據(jù)（峰、谷處多保留幾個實驗點）用 整理后的數(shù)據(jù)在坐標紙上描繪出Ip-VG2的關系 曲線，確定出Ip極大時所對應的電壓。 2.用逐差法處理數(shù)據(jù)求出氬原子的第一激發(fā)電位 Vg。 3.用Vg與Vg理=11.61v進行比較，計算出相對誤差寫出結果。得出結論

21、（出現(xiàn)吸收峰，說明原子能量不連續(xù)。峰值等間隔，說明同類原子的第一激發(fā)電位相同）。,注意：1、各電壓值須按照給定值進行設置；2、VG2設定終止值不要超過90V。3、手動測試完畢后，盡快將VG2減為零。,七、實驗數(shù)據(jù)表,,VG2(V),Ip(uA),VG2(V),VG2(V),Ip(uA),Ip(uA),,,姓名,班級,思考題：,1.原子躍遷輻射頻率與發(fā)生躍遷的兩定態(tài)能 量之間有什么關系？2.什么是原子的第一激發(fā)電勢？