定稿.近代物理实验讲义(必威体育精装版)研讨.doc

目 录 实验一 弗兰克-赫兹实验 ……………………………………… 2 实验二　光谱电子自旋共振 1914年弗兰克和赫兹在实验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。这个事实直接证明了氩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作用，曾共同获得1925年的物理学诺贝尔奖。 一、实验原理 　　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、E2……，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，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用和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决定： 　　式中：为普朗克常量。 　　原子从低能级向高能级跃迁，也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Ｕ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，电子与氩原子就会发生非弹性碰撞，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 式中：为氩原子的第一激发电势（或中肯电位），是本实验要测的物理量。 二、实验装置 本实验仪器采用1只充氩气的四极管，其工作原理图如下图1： 图1 夫兰克—赫兹实验原理图 四极F-H管包括同心筒状电极灯丝H，氧化物阴极K，两个栅极G1、G2和阳极A。阴极K罩在灯丝H外，由灯丝H加热阴极K，改变H的电压VH可以控制K发射电子的强度。靠近阴极K的是第一栅极G1，在G1和K之间加有一个小正电压VG1K，其作用一是控制管内电子流的大小，二是抵消阴极K附近电子云形成的负电位的影响。第二栅极G2远离G1而靠近阳极A，G2和A之间加一小的拒斥负电压VG2A，使得与原子发生了非弹性碰撞，损失了能量的那些电子不能到达阳极。G1和G2之间距离较大，为电子与气体原子提供较大的碰撞空间，从而保证足够高的碰撞概率。由K发射的电子经G2、K间电压VG2K的加速而获得能量，它们在G2、K空间与氩原子不断遭遇碰撞，把部分或全部能量交换给氩原子，并在G2、A间经拒斥电压作用减速达到阳极A，检流计指示出阳极电流IA的大小。 初始阶段VG2K电压较低，电子与氩原子的碰撞是弹性的。在每次碰撞中，电子几乎没有能量损失。随着VG2K上升，当电子能量达到氩原子第一激发电势时,与氩原子发生非弹性碰撞，因此，将引起共振吸收，电子把能量全部传递给氩原子，自身速度几乎降为零。而氩原子则实现了从基态向第一激发态的跃迁。由于拒斥电压的作用，失去了能量的电子将不能到达阳极， IA陡然下降，形成第一个峰。 随VG2K继续增加，电子重新在电场中加速，但因为到达G2时电子重新获得的能量小于氩原子第一激发电势，故非弹性碰撞不会再发生，电子将保持其动能达到G2，从而能克服VG2A的阻力到达阳极，表现为IA的又一次上升。当VG2K2倍的氩原子第一激发电势时，电子在G2、K间与氩原子进行两次非弹性碰撞而失去全部能量，IA再一次下降，曲线出现第二个峰。 图2 夫兰克—赫兹实验仪前面板 图3 夫兰克—赫兹实验仪后面板 显然，每当VG2K等于整数倍的氩原子第一激发电势时，都伴随着IA的一次突变，出现一次峰值，峰间距就为氩原子的第一激发电势。连续改变VG2K，测出IA与VG2K的关系曲线，即可求出氩原子的第一激发电势。 对于那些能量大于11.5V的激发态，由于电子在加速过程中积蓄的能量还未达到这些激发态的能量之前，已与氩原子进行了能量交换，实现了氩原子向第一激发态的跃迁，故向高激发态跃迁的概率就很小了。 本实验仪采用LB-FH实验仪,实验仪面板参见图2、图3。 三、实验内容 1．示波器观察 （1）插上电源，打开电源开关，将“手动/自动”档切换开关置于“自动”档。（“自动”指VG2K从0 ~ 120V自动扫描，“自动”档包含示波器测量和计算机采集测量两种。） （2）先将灯丝电压VH、控制栅（第一栅极）电压VG1K、拒斥电压VG2A缓慢调节到仪器机箱上所贴的“出厂检验参考参数”。预热10分钟，如波形不好，可微调各电压旋钮。如需改变灯丝电压，改变后请等波形稳定（灯丝达到热动平衡状态）后再测量。 (注意： 每个F-H管所需的工作电压