文档介绍：1-4 夫兰克——赫兹实验

玻尔根据原子是稳定的,原子光谱是线状的实验事实,于1913年提出原子的能量是量子化的原子模型。1914年,夫兰克和赫兹用慢电子轰击稀薄气体的原子,研究碰撞前后电子能量的改变情况,以间接了解原子能量的变化,在对结果的分析中,发现了原子量子化吸收和原子的激发能态,并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线,验证了原子能级的存在,为玻尔原子模型提供了有利的证明。为此夫兰克和赫兹二人于1925年获得了诺贝尔物理奖。
一、实验目的
1、学习夫兰克和赫兹研究原子内部能量的基本思想和实验设计方法。掌握测量原子激发电势的实验方法。
2、测量汞原子的第一激发电势,从而验证原子能级的存在。
二、实验原理

图1-4-1 F-H实验原理图 1-4-2 IA—VGK曲线
图1-4-1为夫兰克—赫兹实验原理图。图中上方为一个专用的充气管,称为F—H管。管中充有稀薄的汞气体原子。管内有三个电极K、G、A。热阴极K用来发射电子,栅极G相对于K加有正向可调节电压VGK 。从被加热的阴极K发射大量的电子,这些电子受到GK之间的电场作用,获得能量向栅极G加速运动; GK之间的空间又是电子与原子相互碰撞的区域。板极A相对于栅极G加有一定的反向VAG,AG之间的阻滞场(称为拒斥电场)使那些沿电场方向的动能小于|eVAG |的电子不能到达板极A。电流计A用来测量板流,根据板流的大小就可以确定到达板极的电子数。
实验时,使VGK从零开始逐渐增加,电子的能量就随之增加,在开始阶段因加速电压低,电子得到的能量小,与汞原子只能发生弹性碰撞,几乎没有能量损失,因而能克服拒斥电场而达到板极,板流IA将随VGK的增大而增大。当VGK达到原子的第一激发电势Vg,即VGK=Vg时,电子与汞原子发生非弹性碰撞,原子吸收了电子的全部动能而激发;电子因失去动能就不能克服VAG而到达板极,IA就明显减小,形成第一个谷点。再增加VGK时,电子获得的能量也随之增加,在与原子碰撞后,由于加速电场的作用,还有足够的能量克服拒斥电场作用而达到板极A,因而IA将又随VGK的增加而增大。当
VGK增加到汞原子第一激发电势的二倍时,电子因与原子发生两次非弹性碰撞而失去能量,故而形成了第二次板流IA下降。由此可知,随着VGK的增加,板流IA就显示出一系列的极大值和极小值。如图1-4-2所示。
电流极大值的电压应该是第一激发电势的Vg整数倍。考虑到热电子有一定初速度,而且各极间因材料不同而有一定的接触电势差等原因,整个曲线发生偏移(V0),使各极大值处的电压改变,但各相邻极值间的距离不变,所以相邻两个极大值(或极小值)处对应的栅压差就是第一激发电势Vg。即,凡加速栅压VGK为
VGK=nVg+V0 (n=1,2,…) (1)
此时相应的板流IA就会下降形成谷点。把测出的板流中各谷点对应的栅压,代入上式即可求出汞原子的第一激发电位Vg。
影响实验的主要因素有:
1、接触电位差的影响
F—H管阴极、栅极和板极往往采用不同的金属材料,因此会产生接触电位差,使真正加到电子上的加速电压不等于,而是与接触电位差的代数和。所以接触电位差的存在会使IA-曲线左右偏移V0。
2、热电子发射的影响
由于阴极发出的热电子能量服从麦克斯韦统计分布规律,因