弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)理論

1、弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn),蔡惠明 王宏偉,,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),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(guó)漢堡。在海德堡大學(xué)學(xué)了一年化學(xué)，1902年入柏林大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)。1906年在瓦爾堡導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獲博士學(xué)位。在法蘭克福大學(xué)擔(dān)任助教，不久

2、又返回柏林大學(xué)任助教。1911年獲得柏林大學(xué)物理學(xué)“大學(xué)授課資格”，在柏林大學(xué)講課直到1918年（由于戰(zhàn)爭(zhēng)而中斷了教學(xué)。戰(zhàn)爭(zhēng)中曾獲一級(jí)鐵十字勛章），后成為該大學(xué)的物理學(xué)副教授。1917年任威廉皇帝物理化學(xué)研究所的分部主任。1921年受聘為格丁根大學(xué)教授，并擔(dān)任第二實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究所主任。,,人 物 簡(jiǎn) 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(wù)，離開德國(guó)去哥本哈根；一年后他移居美國(guó)，成為美國(guó)公民。1935年— 1

3、938年任約翰·霍布金斯大學(xué)物理系教授。1938年起任芝加哥大學(xué)物理化學(xué)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(guān)的工程，但與大多數(shù)科學(xué)家一樣，他反對(duì)對(duì)日本使用原子武器。在芝加哥大學(xué)期間，弗蘭克還擔(dān)任該校光合作用實(shí)驗(yàn)室主任，對(duì)各種生物過程、特別是光合作用的物理化學(xué)機(jī)制進(jìn)行了研究。 1964年弗蘭克在訪問格丁根時(shí)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(jìn)入格丁根大學(xué)，后來在慕尼黑和柏林大學(xué)學(xué)習(xí)，1911年畢業(yè)。1913年任柏林大學(xué)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(fù)重傷，1917年回到柏林當(dāng)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(xué)的教授和物理研究所所長(zhǎng)。 1928年回到柏林任夏洛騰堡工業(yè)大學(xué)物理教研室主任。1

5、935年由于政治原因辭去了主任職務(wù)，又回到工業(yè)界，擔(dān)任西蒙公司研究室主任。1945年到 1954年在蘇聯(lián)工作，領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究室，這期間他被任命為萊比錫卡爾·馬克思大學(xué)物理研究所所長(zhǎng)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(guān)于電子和原子間能量交換的論文和關(guān)于測(cè)量電離電勢(shì)的論文。有些是單獨(dú)完成的，有些是和弗蘭克、克洛珀斯合作的。他還有一些關(guān)于分離同

6、位素的著作。 G.赫茲是德國(guó)科學(xué)院院士，1975年在柏林去世。,1913年丹麥物理學(xué)家玻爾（N?Bohr）提出了原子能級(jí)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(shí)不輻射能量，當(dāng)原子從高能態(tài)（能量Em）向低能態(tài)（能量En）躍遷時(shí)才輻射。輻射能量滿足 ?E = Em ? En （1） 對(duì)于外界提供的能量，只有滿足原子躍遷到高能級(jí)的能級(jí)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(shí)驗(yàn)，測(cè)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(cè)了實(shí)驗(yàn)中被激發(fā)的原子回到正常態(tài)時(shí)所輻射的光，測(cè)出的輻射光的頻率很好地滿足了玻爾理論。弗蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為玻爾的原子模型理論提供了直接證據(jù)，對(duì)玻爾的原子理論是一個(gè)極有力的支持。 玻爾因原子模型理論獲1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

8、 弗蘭克與赫茲的實(shí)驗(yàn)于1925年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。弗蘭克——赫茲實(shí)驗(yàn)與玻爾理論在物理學(xué)的發(fā)展史中起到了重要的作用。,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?通過弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)了解原子內(nèi)部能量量子化的 情況。學(xué)習(xí) 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(shí)驗(yàn)思想及實(shí)驗(yàn)方法。用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量氬原子的第一激發(fā)電位,證明 原子分立態(tài)（能級(jí)）的存在；,二、實(shí)驗(yàn)儀器,FH2051弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀 YB4320示波器,三、實(shí)

9、驗(yàn)原理：,玻爾原子理論的兩個(gè)基本假設(shè)：,(1)定態(tài)假設(shè)。原子只能處在一些穩(wěn)定的狀態(tài)中，其中每一狀態(tài)對(duì)應(yīng)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(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過度到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(guān)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(gè) 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(dāng)原子本身吸收或放出電磁輻射時(shí)，二是當(dāng)原子與其他粒子發(fā)生碰撞而交換能量時(shí)。本實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(shí)所需的能量，這個(gè)能量稱為臨界能量。當(dāng)電子與原子碰

11、撞時(shí)，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(shè)E2和E1分別為原子的第一激發(fā)態(tài)和基態(tài)量。初動(dòng)能為零的電子在電位差U0的電場(chǎng)作用下獲得能量eU0，如果 eU0 =hν = E2 - E1 當(dāng)電子與原子發(fā)生碰撞時(shí)，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(yīng)的電位差U

12、g就稱為氬原子的第一激發(fā)電位。當(dāng)電子的能量等于或大于第一激發(fā)能時(shí)，原子就開始發(fā)光。,弗蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)原理(如圖1所示)，弗蘭克一赫茲管是一個(gè)具有雙柵極結(jié)構(gòu)的柱面型充氬四級(jí)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(duì) 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(chǎn)生慢電子。掃描電源加在柵極G2和陰極K間，建立一個(gè)加速場(chǎng)，使得從陰極發(fā)出的電子被加速，穿過管內(nèi)氬蒸氣朝柵極G2運(yùn)動(dòng)。,圖1弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)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(dāng)電子通過空間 KG2進(jìn)入空間 G2P時(shí)，如果具有的能量較大（E1-E0>eVP），就

14、能沖過反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)到陽極形成陽極電流，用微電流計(jì)A測(cè)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(chǎng)而被斥回到第二柵極。這時(shí)通過微電流計(jì)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(chǎng)加速而獲得能量。 2. G1-G2區(qū)間 電子繼續(xù)從 電場(chǎng)獲得能量并不斷與氬

15、原 子碰撞。當(dāng)能量小于氬原 子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級(jí) 差 ?E＝E2?E1 時(shí)，氬原子 基本不吸收電子的能量，碰撞屬于彈性碰撞。當(dāng)電子的能量達(dá)到?E，則在碰撞中被氬原子吸收這部分能量，這時(shí)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)吸收能量。當(dāng)電子進(jìn)入此區(qū)間時(shí)的能量小

16、于Eu, 則不能達(dá)到板極。 由此可見，若eνG2<?E，則電子帶著eνG2的能量進(jìn)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(gè)波峰。若eνG2＝?E則電子在達(dá)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(gè)波谷。,繼續(xù)增大νG2，電子碰撞后的剩余能量也增加，到達(dá)板極的電子又會(huì)逐漸增多（如圖2中bc段）

17、出現(xiàn)第二個(gè)波峰。若eνG2>n?E則電子在進(jìn)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(gè)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(jí)差 ?E= e?ν,測(cè)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(jí)的存在，并求出氬原子的第一激發(fā)電位。,四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,1

18、.將弗蘭克赫茲儀器 的“信號(hào)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(shí)驗(yàn)步驟：,2．打開儀器電源和示波器電源。 將儀器方式設(shè)置為掃描，設(shè)置燈絲電壓Vf,第一柵壓VG1,拒斥電壓Vp （具體參數(shù)由實(shí)驗(yàn)室提供） 第二柵壓VG2（0-90v)。預(yù)熱五分鐘，調(diào)節(jié)示波器，在示波器上觀看得 到的Ip-VG2圖， 是否符合實(shí)驗(yàn) 要求（有六個(gè) 以上的

19、波峰）。,將方式檔位調(diào)到手動(dòng)檔位調(diào)節(jié)加速電壓（VG2）以0.5V為步長(zhǎng)，從10.0開始,記錄對(duì)應(yīng)的電流值。當(dāng)電流出現(xiàn)5個(gè)峰后，結(jié)束測(cè)量。 將實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)為原始狀態(tài)，關(guān)閉儀器電源和示波器電源。,★選擇“自動(dòng)”“快速”檔，調(diào)節(jié)VG1、Vp 、Vf 至給定的參數(shù)值，調(diào)節(jié)“掃描”旋鈕至最大，調(diào)節(jié)示波器，觀察弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)曲線?！镞x擇“手動(dòng)”“慢速”檔，手動(dòng)調(diào)節(jié)加速電壓VG2， 使圖形出現(xiàn)5個(gè)完整的波峰、波谷，認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)，在

20、峰、谷附近多測(cè)幾組數(shù)。 （逐漸調(diào)節(jié)VG2，穩(wěn)定工作范圍為0 ～90V之間）提示：我們實(shí)驗(yàn)室有兩種儀器，使用時(shí)注意各自標(biāo)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(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)）用 整理后的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描繪出Ip-VG2的關(guān)系 曲線，確定出Ip極大時(shí)所對(duì)應(yīng)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(jìn)行比較，計(jì)算出相對(duì)誤差寫出結(jié)果。得出結(jié)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(jìn)行設(shè)置；2、VG2設(shè)定終止值不要超過90V。3、手動(dòng)測(cè)試完畢后，盡快將VG2減為零。,七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表,,VG2(V),Ip(uA),VG2(V),VG2(V),Ip(uA),Ip(uA),,,姓名,班級(jí),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(guān)系？2.什么是原子的第一激發(fā)電勢(shì)？