文档介绍：夫兰克- 1914 年弗兰克() 和赫兹() 用电子碰撞原子的方法,观察测量到了汞的激发电位和电离电位(即著名的 Frank-Hertz 实验) 。从而证明了原子等级的存在,为早一年玻尔发表的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。为此他们分享了 1925 年诺贝尔物理学奖金。他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。本实验应用 Frank-Hertz 实验方法实现电子气和 Hg原子的碰撞,以观察 Hg 原子能级跃迁并对 Hg 原子第一激发电位进行测量。通过本实验可以深刻理解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法,了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。 1. 电子与气态 Hg 原子的碰撞利用电子和气态 Hg原子的碰撞时最容易实现 Frank-Hertz 实验的方法。为实现原子从低能级 E n 向高能级 E m 的跃迁,通常可以通过吸收确定频率γ的光子来实现。而光子的能量等于两个能级之间的量差,即时,原子吸收全部光子能量,发生能级跃迁,式中 h为普朗克常量。也可以通过使具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。若与之碰撞的电子式在电势差 V的加速下,速度从零加到 v,则当电子的能量满足时,电子将全部能量交换给你原子。由于 E m-E n 具有确定的值,对应的 V 就应该有确定的大小。当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时,相应的 V 称为原子的第一激发电位(或中肯电子) 。因此,第一激发电位 V 所对应的就是第一激发态与基态的能量差。出于激发态的原子是不稳定的,它将以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能级。如果电子的能量达到原子电离的能量,会有电离发生,相应的 V称为原子的电离电位。其中 6 1S 0(0ev )为基态,6 3P 1( )为激发态,6 3P 0( )、6 3P 2( ) 为亚稳态。当能量等于 6 3P 0,6 3P 1和6 3P 2与基态 6 1S 0之间的能量差,即当能量为 eV, eV 的电子与 Hg 原子碰撞时,将有最大的激发概率实现能级间跃迁。由跃迁的选择定则, 3P 0, 3P 2到 3P 1 的跃迁是禁戒跃迁,即激发到 3P 0和 3P 2 的电子不会自发的以辐射出光子的形式跃迁到基态,从而有很长的寿命(达 10 -3s),6 3P 0,6 3P 2被称为亚稳态。 3P 1态电子可在 10-8~10-7s 的光子,处于(紫外波段)跃迁到基态 6 1P 1 ,且 6 3P 1 是能量最低的激发态,通常被称为第一激发态。 2. 实验原理图: F-H 管内充汞,灯丝加热 K 使其发射电子, G1 控制通过 G1 的电子数目, G2 加速电子, G1、G2 空间较大,提供足够的碰撞概率, A 接收电子, AG2 加一扼止电压,使失去动能的电子不能到达,形成电流。实验曲线: 1)电子和气态 Hg原子的碰撞过程及能量交换: 碰撞过程和能量交换过程是在 F-H 管G 1G 2空间发生的,在加速场的作用下, 电子获得动能,在与原子的弹性碰撞中,电子总能量损失较小,在不断的加速场作用下,电子的能量逐渐增大,就有可能与原子发生非弹性碰撞,使原子激发到高能态,电子失去相对应的能量,使其不能到达 F-H 管A极从而不能形成电流。当V GK= 时,电子在 G 2,K 空间获得的能量等于 ,与 Hg 原子发生非弹性碰撞时,使原子激发到 6 3P 0 ,此态较稳定,不容易再产生跃迁,故不容易观察到这个吸收,但电子可以越过这一区域继续加速,使能量超过 V GK= 时电子在 G 2 附近获得 的能量,并与 Hg 原子发生非弹性碰撞,但电子可以越过这一区域继续加速,使能量超过 ,Hg 原子将被使原子激发到 6 3P 1 ,引起共振吸收,电子速度几乎为零,电子不能到达 A ,因而形成第一个吸收峰。同理,当 V GK= 时,电子与原子发生两次非弹性碰撞,在 G 2 处失去动能,形成第二个峰。当V GK= 时,将形成第 n个峰。 2)电子平均自由程对激发或电离的影响主要由炉温决定,还与电子速度等有关。λ很短,相邻两次碰撞间获得能量小,经多次碰撞能量积累到第一激发态的能量时,能使原子激发到激发态,不容易激发到较高能态。λ很长,相邻两次碰撞间获得能量大,激发到高能态的可能性很大,所以在λ很长,加速电压较高,会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能态,甚至电离。 3. Hg 原子能级:Hg原子的能级图如下图所示: F-H 管电源组、扫描电源、微电流放大器、 F-H