文档介绍：实验三十九弗兰克-赫兹实验
Experiment 39 Frank-Hertz experiment
1914年,弗兰克(J. Franck, 1882-1964)和赫兹在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明,电子与***原子碰撞时,。
这个事实直接证明了***原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”,是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。由于他们的工作对原子物理学的发展起了重要的作用,曾共同获得1925年物理学诺贝尔奖。
在本实验中可观测到电子与氩原子相碰撞时的能量转移的量子化现象,测定氩原子的第一激发电位,从而加深对原子能级概念的理解。
实验仪器 Experimental device
HLD-FH-IV型微机弗兰克-赫兹实验仪,电脑。
智能弗兰克-赫兹实验仪前面板功能说明如图1。
智能弗兰克-赫兹实验仪前面板如下图所示,将功能划分五个区。
区〈1〉:是弗兰克-赫兹管(简称F-H管)各输入电压和板极电流输出的形象示意图。
区〈2〉:是弗兰克-赫兹管所需激励电压的输出连接插孔示意图。
区〈3〉:测试电流,电压指示区及量程转换显示区。液晶显示可指示电流值及当前选择电压源的电压值。根据实验需要选择不同的量程,显示在液晶显示屏上。
区〈4〉:是测试信号输出区。信号输出和同步输出插座可将信号送示波器显示。
区〈5〉:是调整按键区。改变当前电压源,设置查询电压点,手动和自动间的切换,以及量程之间的转换。
区〈6〉:是电压调整区。可以调整,,,灯丝的电压。
智能弗兰克-赫兹实验仪后面板说明。
智能弗兰克-赫兹实验仪后面板上有交流电源插座,插座上自带有保险管座;电源开关;微机接口。
实验原理 Experimental principle
玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E
2……,处在这些状态的原子是稳定的,称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变,只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态;②原子从一个定态跃迁到另一个定态时,它发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用EM和EN分别代表原子的两个定态的能量,则发射或吸收辐射的频率由以下关系式所决定:
式中为普朗克常量。
原子从低能级向高能级跃迁,可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。本实验即让电子在真空中与氩原子相碰撞。设氩原子的基态能量为,第一激发态的能量为,从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是。初速度为零的电子在电位差为的加速电场作用下具有能量,若小于这份能量,则电子与氩原子只能发生弹性碰撞,二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量时,电子与氩原子就发生非弹性碰撞,氩原子将从电子的能量中吸收相当于的那一份,使自己从基态跃迁到第一激发态,而多余的部分仍留给电子。设使电子具有能量所需加速电场的电位差为,则
为氩原子的第一激发电位,是本实验要测的物理量。
图2弗兰克-赫兹四极管
图3关系曲线
实验方法如图2所示。在充氩气的弗兰克-赫兹四极管中,电子由热阴极K发出,第一栅极(G1)与阴极(K)之间加上约2V的电压,其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响,提高发射效率。阴极K和栅极G2之间的加速电压使电子加速。在板