弗蘭克赫茲氬

1、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn),青海師范大學(xué)物理系近代物理實(shí)驗(yàn),桑萃萃,尼爾斯·玻爾 （Niels Bohr,1885-1962）丹麥物理學(xué)家，哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人。1885年10月7日生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大學(xué)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)系，主修物理學(xué)。1907年以有關(guān)水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學(xué)文學(xué)院的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，并先后?909年和1911年分別以關(guān)于金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學(xué)的科學(xué)碩士和哲學(xué)博士學(xué)位。隨后去英國(guó)學(xué)習(xí)，先在劍橋

2、J．J．湯姆孫主持的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，幾個(gè)月后轉(zhuǎn)赴曼徹斯特，參加了以E．盧瑟福為首的科學(xué)集體，從此和盧瑟福建立了長(zhǎng)期的密切關(guān)系。,實(shí) 驗(yàn) 簡(jiǎn) 介,玻爾提出的原子理論有兩個(gè)基本假設(shè)：(1) 原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)，簡(jiǎn)稱“定態(tài)”，原子在這些狀態(tài)時(shí)不發(fā)射也不吸收能量，各定態(tài)的能量是彼此分隔的．原子的能量不論通過(guò)什么方式發(fā)生改變，只能使原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)；,(2) 原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射能量

3、時(shí)，輻射的頻率是一定的．如果用 和 代表有關(guān)二定態(tài)的能量，輻射的頻率決定于如下關(guān)系：式中 為普朗克常量．,在玻爾提出原子結(jié)構(gòu)的量子理論后， 弗蘭克(J．Franck)和赫茲(G．Hertz)在1914年在用慢電子轟擊稀薄氣體原子做原子電離電位測(cè)定時(shí)，偶然地發(fā)現(xiàn)了原子的激發(fā)能態(tài)和量子化的吸收現(xiàn)象，并觀察到原子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)輻射出的光譜線，從而直接證明了玻爾原子結(jié)構(gòu)的量子理論，為此他們獲得了1925年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。,

4、弗蘭克 G.赫茲 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)格丁根大學(xué)的弗蘭克和哈雷大學(xué)的G.赫茲以表彰他們發(fā)現(xiàn)原子受電子碰撞的定律.,實(shí) 驗(yàn) 目 的,1.本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)氬原子第一激發(fā)電位的測(cè)量，了解弗蘭克和赫茲研究原子內(nèi)部能量量子化的基本思想和方法； 2.了解電子與原子碰撞和能量交換過(guò)程的微觀圖

5、像，以及影響這個(gè)過(guò)程的主要物理因素．,實(shí) 驗(yàn) 原 理,1. 實(shí) 驗(yàn) 原 理 圖2. 物 理 過(guò) 程3. I-UGK 曲 線,,,,,,三極管示意圖,夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀器最初設(shè)計(jì)如圖6-3-1所示。在玻璃器中充入要測(cè)量氣體。電子由陰極K發(fā)出。在K與柵極G之間加電場(chǎng)使電子加速。在G與板極A之間有一反向拒斥電壓。當(dāng)電子通過(guò)KG空間，進(jìn)入GA空間時(shí)，如果仍有較大能量，就能沖過(guò)反電場(chǎng)而達(dá)到電極A（板極），成為通過(guò)電流計(jì)的電流。如果電子在

6、KG空間與原子碰撞，把自己一部分的能量給了原子，使后者被激發(fā)。電子剩余的能量就可能很小，以致過(guò)柵極G后已不足以克服反向拒斥電壓，那就達(dá)不到A，因而也不流過(guò)電流計(jì)。如果發(fā)生這樣情況的電子很多，電流計(jì)中的電流就要顯著地降低。為了消除空間電荷對(duì)陰極電子發(fā)射的影響，在陰極附近再增加一柵極，構(gòu)成四極管。,四極管示意圖,UG1K:第一柵極電壓； UG2K:加速電壓；UG2A：反向拒斥電壓；,實(shí)驗(yàn)時(shí)，把KG2間的電壓 (加速電壓)逐漸增加，觀察電

7、流計(jì)的電流。這樣就得到A極電流隨加速電壓的變化情況,電子在加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，必然要與氬原子發(fā)生碰撞。如果碰撞前電子的能量小于原子的第一激發(fā)電位對(duì)應(yīng)的能量eU0（對(duì)氬原子U0=11.5V），那么他們之間的碰撞是彈性的。然而如果電子的能量e UG2K達(dá)到eU0 （實(shí)驗(yàn)中），那么電子與原子之間將發(fā)生非彈性碰撞。在碰撞過(guò)程中，電子的能量傳遞給氬原子。假設(shè)這種碰撞發(fā)生在柵極附近，那些因碰撞而損失了能量的電子在穿過(guò)柵極之后無(wú)力克服反向拒斥電壓而到不了

8、板極A，因此這時(shí)板流開(kāi)始下降。,隨著加速電壓的增加，電子與原子的非彈性碰撞區(qū)域?qū)⑾蜿帢O方向移動(dòng)。經(jīng)碰撞而損失能量的電子在奔向柵極的剩余路程上又得到加速，以致在穿過(guò)柵極之后有足夠的能量來(lái)克服反向拒斥電壓而達(dá)到板極A。此時(shí)，板流又將隨加速電壓的增加而升高。若這個(gè)增加使電子在到達(dá)柵極前其能量又達(dá)到U0，則電子與氬原子將再次發(fā)生非彈性碰撞，即又一次下降。在 較高的情況下，電子在向柵極飛奔的路程上，將與氬原子多次發(fā)生非彈性碰撞。每當(dāng)UG2K=nU

9、0（n=1，2，…），就發(fā)生這種碰撞。（在實(shí)驗(yàn)中，可看出，由于儀器的接觸電勢(shì)的存在，每次開(kāi)始下降時(shí)，所對(duì)應(yīng)的加速電壓并不是正好落在U0的整數(shù)倍處，可能會(huì)稍有誤差）即在－曲線上出現(xiàn)的多次下降。對(duì)于圖中每?jī)蓚€(gè)相鄰峰值的差值均約為11.5V，即氬的第一激發(fā)電位為11.5V。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,K,G2,P,UG2,IP,,,,,,,,,,,,,,電源開(kāi)關(guān),UG2輸出,IP輸出,自動(dòng)/手動(dòng),快速/慢速,電壓顯示選擇

10、,IP顯示,IP放大選擇,電壓顯示,UF調(diào)節(jié),UG1調(diào)節(jié),UP調(diào)節(jié),UG2調(diào)節(jié),實(shí) 驗(yàn) 儀 器,實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容,2.手動(dòng)測(cè)量氬原子的 曲線，每變化1.0V測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，選擇60-80個(gè)數(shù)據(jù)作圖，標(biāo)出峰值，取第一個(gè)峰 和第六個(gè)峰 ，利用 計(jì)算出氬原子的平均第一激發(fā)電位，和參考值 比較。,1. 根據(jù)儀器

11、標(biāo)簽確定：燈絲電源電壓、 、 。注意 不得超過(guò)90V。,3.測(cè)量出氬的第一激發(fā)電位U1.,注意：1、各電壓值須按照給定值進(jìn)行設(shè)置；2、UG2K設(shè)定終止值不要超過(guò)90V。3、手動(dòng)測(cè)試完畢后，盡快將UG2K減為零。,,,求相對(duì)誤差Er，理論值11.55V.,實(shí)驗(yàn)曲線-用坐標(biāo)紙,思考題1.燈絲溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？答：溫度過(guò)低時(shí)，不足以加熱燈絲陰極，電子數(shù)量不足，板極電流小，使結(jié)果出現(xiàn)較大誤