实验5夫兰克赫兹实验.PDF

实验 5 夫兰克—赫兹实验 预习重点 1、玻尔原子模型理论。 2 、夫兰克—赫兹实验原理及方法。 一、实验目的 在原子物理发展历程中，丹麦物理学家波尔（Niels Henrik DaVid .Bohr ，1885-1962） 在 1913 年发表了原子模型，并因此获得 1922 年度诺贝尔物理学奖，1914 年，弗兰克 （James Franck ，1882~1964）和赫兹(Gustar Hertz,1887~1975)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，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量 严格地保持 4.9eV ，即汞原子只接收4.9eV 的能量。这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所 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 年的诺 贝尔物理学奖。 在本实验中，需要了解夫兰克—赫兹实验的原理和方法，测定亚原子的第一激发电位， 验证原子能及的存在。 二、实验原理 2.1 波尔的原子理论： 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 ，E3 ……，处 在这些状态的原子是稳定的，称为“定态”。其中E1 叫基态，E2 ，E3 ……叫激发态。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，它将发射或吸收一定频率的电磁波。如果用E 和E 分别代 m n 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： hν E −E （5-1 ） m n 式中： h 6.63=×10−34 J ⋅S ，为普朗克常量。 2.2 兰克—赫兹实验的原理： 原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受到其他有足够能量的粒子 碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。从基态跃迁到第一激发态 所需要的能量称为 临界能量。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。本实验就是让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。 设汞原子的基态能量为E1 ，第一激发态的能量为E2 ，从基态跃迁到第一激发态所需的能量 就是ΔE E2 −E1 。初速度为零的电子在电位差为V 的加速电场作用下具有能量eV ，若小 于eV E −E 时，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。当电 2 1 子的能量eV ≥E −E 时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸 2 1 收相当于E2 −E1 的那份能量，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E −E 能量所需加速电场的电位差为V ，则 2 1 0 eV E −E （２） 0 2 1 43 式中：V 为汞原子的第一激发电位，是本实验要测的物理量。 0 2.3 兰克—赫兹实验的方法： 如图 5-1，充氩气的 F—H 管中，电 VG1 电子 氩原子 子由热阴极发出，阴极K 栅极 G 之间的加 1