弗兰克赫兹实验(2008428修改).doc

弗兰克—赫兹实验（2008.4.28修改） 1913年丹麦物理学家玻尔（N(Bohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。 该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射能量满足 (E = Em(En （1） 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。 1914年德国物理学家弗兰克（J(Franck）和赫兹（G(Hertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。 玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获此奖。夫兰克——赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。 一、实验目的 1、测量氩原子的第一激发电位； 2、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解； 3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。 二、实验仪器 DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪，BY4320G示波器 三、实验原理 夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K，板极A，G1 、G2分别为第一、第二栅极。 K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G2-A加反向电压，形成拒斥电场。 电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大于或等于e，就能到达板极形成板极电流I. 电子在不同区间的情况： 1. K-G1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。 2. G1-G2区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差(E＝E2(E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到(E，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。(E称为临界能量。 3. G2-A区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eU G2A则不能达到板极。 由此可见，若eUG2K(E，则电子带着eUG2K的能量进入G2-A区域。随着UG2K的增加，电流I增加（如图2中Oa段）。 若eUG2K＝(E则电子在达到G2处刚够临界能量，不过它立即开始消耗能量了。继续增大UG2K，电子能量被吸收的概率逐渐增加，板极电流逐渐下降（如图2中ab段）。 继续增大UG2K，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc段）。 若eUG2Kn(E则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流I随加速电压变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差(U称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差 (E= e(U （2） 四、实验内容 测量原子的第一激发电位。通过曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一激发电位。 五、实验操作步骤 1．将面板上的四对插座（灯丝电压，：第二栅压，：第一栅压，：拒斥电压）按面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。微电流检测器已在内部连好。将仪器的“信号输出”与示波器的“CH1输入（X）”相连；仪器的“同步输出”与示波器的“外接输入”相连。 注意：各对插线应一一对号入座，切不可插错！否则会损坏电子管或仪器。 2．打开仪器电源和示波器电源。 3．“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动 ”灯点亮。 4．电流档为10(9A、10(８A、10(７A和10(６A。开机时位于“10(9A”本实验保持此档不变。 5．按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压　、拒斥电压、电流量程I预置相应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“∧”键或“∨”键，更改预置值，若按下“” 键或“” 键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。 6．电子管的加载。同时按下“set” 键和“” 键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压等四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载 ”指示灯亮。注意：只有四组电压都加载时，此灯才常亮。 7．四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验。 8．按下“自动/手动”键，此时“自动 ”灯点亮。此时仪器进入自动测量状态。 9．在自动测量状态下，第二栅压从0开始变到85V结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置，并记录相应的第二栅压值。 10．自动状态测量结束后，按“自动/手动”键到“手动”状态，等待5分