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1、夫兰克夫兰克- -赫兹实验赫兹实验物理与电子学院物理与电子学院实实 验验 目目 的的 1. 1. 本本实实验验通通过过测测定定汞汞原原子子的的第第一一激激发发电电位位证证明明原原子子能能级级的的存存在在,了了解解夫夫兰兰克克和和赫赫兹兹研研究究原原子子内部能量量子化内部能量量子化的基本思想和方法。的基本思想和方法。2.2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。汤姆孙汤姆孙布丁模型布丁模型卢瑟福卢瑟福有核模型有核模型原子稳定大小原子稳定大小分立线状光谱分立线状光谱玻玻 尔尔 假假 设设1. 1. 定态假设定态假设2. 2. 频率规则频率规则粒子散
2、射实验粒子散射实验 玻尔提出的原子理论两个基本假设玻尔提出的原子理论两个基本假设:1 1原原子子只只能能较较长长久久地地停停留留在在一一些些稳稳定定状状态态,简简称称“定定态态”。原原子子在在这这些些状状态态时时不不发发射射也也不不吸吸收收能能量量,各各定定态态的的能能量量是是彼彼此此分分隔隔的的。原原子子的的能能量量不不论论通通过过什什么么方方式式发发生生改改变变,只只能能使使原原子子从从一一个个定定态态跃跃迁到另一个定态。迁到另一个定态。 2 2原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射能量时,辐射的频率是一定的如果用辐射能量时,辐射的频率是一
3、定的如果用 Em 和和 En 代表有关二定态的能量,辐射的频率决定代表有关二定态的能量,辐射的频率决定于如下关系:于如下关系: 图图1 1 能级图能级图 在玻尔提出原子结构的量子理论后,夫兰克和赫在玻尔提出原子结构的量子理论后,夫兰克和赫兹在兹在19141914年在用慢电子轰击稀薄气体原子做原子电离年在用慢电子轰击稀薄气体原子做原子电离电位测定时,发现原子的激发能态和电位测定时,发现原子的激发能态和量子化量子化的吸收现的吸收现象,并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光象,并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线,从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论,为谱线,从而直接证明了玻尔原子结构
4、的量子理论,为此他们获得了此他们获得了19251925年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖。电子与原子的相互作用电子与原子的相互作用 1 1 亲和亲和 e+AA 2 2 电子与原子的碰撞电子与原子的碰撞激发:当电子的能量较大时,原子得到一定的能量,从能量较低的状态跃迁至能量高的状态。激发能:激发能:电离:电离:当电子的能量足够大时,可使原子的价电子 脱离束缚而电离,即 复合:复合:正离子与慢速运动的电子碰撞时,可以与电子复合而成为中性原子 光电效应:光电效应:处于激发态的原子退激时,辐射出光量子hv,这些光量子打到极板时会发生光电效应,从金属极板中打出速度为的电子 实实 验验 目目 的的 1.
5、1. 本本实实验验通通过过测测定定汞汞原原子子的的第第一一激激发发电电位位证证明明原原子子能能级级的的存存在在,了了解解夫夫兰兰克克和和赫赫兹兹研研究究原原子子内部能量量子化内部能量量子化的基本思想和方法。的基本思想和方法。2.2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。实验设计思想实验设计思想 原子状态的改变原子状态的改变 :1 原子本身吸收或发射电磁辐射原子本身吸收或发射电磁辐射2 原子与其它粒子发生碰撞而交换能量原子与其它粒子发生碰撞而交换能量电子轰击原子电子轰击原子: : 电子的动能电子的动能eU可以利用可以利用改变加速电压改变加速电压的
6、方的方 法随意控制。法随意控制。 由由玻玻尔尔理理论论可可知知,处处于于正正常常状状态态的的原原子子发发生生状状态态改改变变时时,它它所所需需要要的的能能量量不不能能少少于于该该原原子子从从正正常常状状态态跃跃迁迁到到第第一一受受激激态态时时所所需需要要的的能能量量,这这个个能能量量称称为为 临临界界能能量量 。当当电电子子与与原原子子碰碰撞撞时时,如如果果电电子子能能量量小小于于临临界界能能量量,则则发发生生弹弹性性碰碰撞撞,原原子子不不能能吸吸收收电电子子的的能能量量,电电子子碰碰撞撞原原子子前前后后的的能能量量几几乎乎不不变变,而而只只改改变变运运动动方方向向。如如果果电电子子能能量量大
7、大于于临临界界能能量量,则则发发生生非非弹弹性性碰碰撞撞,这这时时电电子子给给予予原原子子跃跃迁迁到到第第一一激激发发态态所所需需要要的的能能量量 , 其其 余余 的的 能能 量量 仍仍 由由 电电 子子 保保 留留 。夫兰克夫兰克- -赫兹管赫兹管热阴极热阴极K K栅极栅极G G板极板极A A图图2 2 实实 验验 原原 理理 图图图图3 IA-UGK 曲线曲线b bc cd da a图图4 F-H实验装置面板图实验装置面板图温度计温度计F-H管管栅压调节栅压调节电压表电压表电流表电流表栅压选择栅压选择工作状态工作状态实实 验验 内内 容容手手动动测测量量汞汞原原子子的的I-U曲曲线线,每每
8、变变化化一一定定电电压压测测量量一一个个点点,(在在电电流流突突变变点点附附近近增增加加测测试试点点)采采集集数数据据作作图图,标标出出波波峰峰值值对对应应的的电电压压值值,计计算出汞原子的平均第一激发电位算出汞原子的平均第一激发电位. .实验步骤实验步骤 1预热和调整预热和调整1)1)将装有充汞将装有充汞F-H管的温控加热炉接通电源,选择一定的炉温管的温控加热炉接通电源,选择一定的炉温(由实验室定),调好温控旋钮,预热(由实验室定),调好温控旋钮,预热1530分钟,以得到分钟,以得到合适的汞蒸汽密度。合适的汞蒸汽密度。2)2)同时接通微电流测量放大器电源,进行预热。将仪器的同时接通微电流测量
9、放大器电源,进行预热。将仪器的“栅栅压选择压选择”开关拨向开关拨向“DC”然后将然后将“栅极电压栅极电压UKG”旋钮逆时旋钮逆时针旋至最小,针旋至最小,3)3)待预热待预热20分钟后,将分钟后,将“工作状态工作状态”拨向拨向“R(激发)(激发)”,对,对电流表进行电流表进行“零点零点”和和“满度满度”校准。调零与满度之间略有校准。调零与满度之间略有牵连,故需反复调节。牵连,故需反复调节。2测量汞原子的第一激发电势测量汞原子的第一激发电势U01)1)将将“工作状态工作状态”开关拨向开关拨向“R(激发激发)”,再调节加热炉的温控开,再调节加热炉的温控开关,使炉温升至关,使炉温升至180,待其稳定后
10、,即可进行激发电势测量。,待其稳定后,即可进行激发电势测量。2) 2) 先进行全面观察。暂将先进行全面观察。暂将“倍率倍率”拨到拨到10-6或或10-5档,缓慢增档,缓慢增加加UGK的值,全面观察一次的值,全面观察一次IA的变化情况。注意要及时更换倍的变化情况。注意要及时更换倍率以适应电流变化。率以适应电流变化。3)3)测量测量IA-UGK曲线。使曲线。使UGK从零起缓慢增加,记录下电流从零起缓慢增加,记录下电流IA及对及对应应UGK的电压值,特别地,应认真找到并读出的电压值,特别地,应认真找到并读出IA的峰谷值及对的峰谷值及对应的各个应的各个UGK值,为便于作图,在各峰谷值附近应多测几个点。
11、值,为便于作图,在各峰谷值附近应多测几个点。4)4)分别改变炉温(如分别改变炉温(如170、200)或(稍许)改变拒斥电压)或(稍许)改变拒斥电压的大小,再测几条的大小,再测几条IA-UGK曲线的影响。曲线的影响。注注 意意 事事 项项 1. 在测量过程中,当在测量过程中,当IA迅速增大时或迅速增大时或F-H管出现管出现 强强 烈蓝光时,要立即减小烈蓝光时,要立即减小UGK至零。至零。2. 加热炉外壳温度较高,注意避免灼伤。加热炉外壳温度较高,注意避免灼伤。3. 由于炉内温度场不均匀,温度计的水银泡必须与由于炉内温度场不均匀,温度计的水银泡必须与F-H管的栅阴极中段相齐。管的栅阴极中段相齐。4. 实验完毕,须将实验完毕,须将“栅压选择栅压选择”和和“工作状态工作状态”开关开关置置“0”,“栅压调节栅压调节”旋至最小,暂不拆除旋至最小,暂不拆除K、H、G连接线,不要切断微电流放大器的电源。应先切连接线,不要切断微电流放大器的电源。应先切断加热炉电源,待温度下降后,才能切断放大器及断加热炉电源,待温度下降后,才能切断放大器及各种连线,以延长管子寿命。各种连线,以延长管子寿命。思思 考考 讨讨 论论 1本实验是如何证实原子内部存在能级的?2计算实验中汞原子所辐射的波长。3. 讨论灯丝电压灯丝电压、F-H管温度管温度以及拒斥电压拒斥电压 对实验曲线的影响。