弗蘭克赫茲氬

1、弗蘭克-赫茲實驗,青海師范大學(xué)物理系近代物理實驗,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?wù)拢⑾群笥?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。隨后去英國學(xué)習(xí)，先在劍橋

2、J．J．湯姆孫主持的卡文迪什實驗室，幾個月后轉(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期的密切關(guān)系。,實 驗 簡 介,玻爾提出的原子理論有兩個基本假設(shè)：(1) 原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)，簡稱“定態(tài)”，原子在這些狀態(tài)時不發(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什么方式發(fā)生改變，只能使原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)；,(2) 原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射能量

3、時，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定時，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。,

4、弗蘭克 G.赫茲 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年諾貝爾物理學(xué)獎授予德國格丁根大學(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 驗 目 的,1.本實驗通過對氬原子第一激發(fā)電位的測量，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程的微觀圖

5、像，以及影響這個過程的主要物理因素．,實 驗 原 理,1. 實 驗 原 理 圖2. 物 理 過 程3. I-UGK 曲 線,,,,,,三極管示意圖,夫蘭克-赫茲實驗儀器最初設(shè)計如圖6-3-1所示。在玻璃器中充入要測量氣體。電子由陰極K發(fā)出。在K與柵極G之間加電場使電子加速。在G與板極A之間有一反向拒斥電壓。當(dāng)電子通過KG空間，進(jìn)入GA空間時，如果仍有較大能量，就能沖過反電場而達(dá)到電極A（板極），成為通過電流計的電流。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，因而也不流過電流計。如果發(fā)生這樣情況的電子很多，電流計中的電流就要顯著地降低。為了消除空間電荷對陰極電子發(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；,實驗時，把KG2間的電壓 (加速電壓)逐漸增加，觀察電

7、流計的電流。這樣就得到A極電流隨加速電壓的變化情況,電子在加速運動過程中，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)電位對應(yīng)的能量eU0（對氬原子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 （實驗中），那么電子與原子之間將發(fā)生非彈性碰撞。在碰撞過程中，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柵極之后無力克服反向拒斥電壓而到不了

8、板極A，因此這時板流開始下降。,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。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，以致在穿過柵極之后有足夠的能量來克服反向拒斥電壓而達(dá)到板極A。此時，板流又將隨加速電壓的增加而升高。若這個增加使電子在到達(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。（在實驗中，可看出，由于儀器的接觸電勢的存在，每次開始下降時，所對應(yīng)的加速電壓并不是正好落在U0的整數(shù)倍處，可能會稍有誤差）即在－曲線上出現(xiàn)的多次下降。對于圖中每兩個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,,,,,,,,,,,,,,電源開關(guān),UG2輸出,IP輸出,自動/手動,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 驗 儀 器,實 驗 內(nèi) 容,2.手動測量氬原子的 曲線，每變化1.0V測量一個點，選擇60-80個數(shù)據(jù)作圖，標(biāo)出峰值，取第一個峰 和第六個峰 ，利用 計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90V。,3.測量出氬的第一激發(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90V。3、手動測試完畢后，盡快將UG2K減為零。,,,求相對誤差Er，理論值11.55V.,實驗曲線-用坐標(biāo)紙,思考題1.燈絲溫度對實驗結(jié)果有何影響？答：溫度過低時，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