第一章：弗兰克赫兹氩.ppt

尼尔斯·玻尔 （Niels Bohr,1885-1962）丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。1885年10月7日生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。1907年以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖章，并先后于1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习，先在剑桥J．J．汤姆孙主持的卡文迪什实验室，几个月后转赴曼彻斯特，参加了以E．卢瑟福为首的科学集体，从此和卢瑟福建立了长期的密切关系。 * * 弗兰克-赫兹实验 青海师范大学物理系近代物理实验 桑萃萃 实 验 简 介 玻尔提出的原子理论有两个基本假设： (1) 原子只能较长久地停留在一些稳定状态，简称“定态”，原子在这些状态时不发射也不吸收能量，各定态的能量是彼此分隔的．原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能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而发射或吸收辐射能量时，辐射的频率是一定的．如果用 和 代表有关二定态的能量，辐射的频率决定于如下关系： 式中 为普朗克常量． 在玻尔提出原子结构的量子理论后， 弗兰克(J．Franck)和赫兹(G．Hertz)在1914年在用慢电子轰击稀薄气体原子做原子电离电位测定时，偶然地发现了原子的激发能态和量子化的吸收现象，并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们获得了1925年的诺贝尔物理奖。 弗兰克 G.赫兹 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克和哈雷大学的G.赫兹以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律. 实 验 目 的 1.本实验通过对氩原子第一激发电位的测量，了解弗兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和方法； 2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像，以及影响这个过程的主要物理因素． 实 验 原 理 1. 实 验 原 理 图 2. 物 理 过 程 3. I-UGK 曲 线 当电子的加速电压UG2K原子第一激发电势U0 电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换。 为“弹性碰撞” 电子碰撞前后速度不变 当电子的加速电压U≥原子第一激发电势U1 电子与原子碰撞发生动能与内能的交换 为“非弹性碰撞” 电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子 三极管示意图 夫兰克-赫兹实验仪器最初设计如图6-3-1所示。在玻璃器中充入要测量气体。电子由阴极K发出。在K与栅极G之间加电场使电子加速。在G与板极A之间有一反向拒斥电压。当电子通过KG空间，进入GA空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反电场而达到电极A（板极），成为通过电流计的电流。如果电子在KG空间与原子碰撞，把自己一部分的能量给了原子，使后者被激发。电子剩余的能量就可能很小，以致过栅极G后已不足以克服反向拒斥电压，那就达不到A，因而也不流过电流计。如果发生这样情况的电子很多，电流计中的电流就要显著地降低。为了消除空间电荷对阴极电子发射的影响，在阴极附近再增加一栅极，构成四极管。 四极管示意图 UG1K:第一栅极电压； UG2K:加速电压；UG2A：反向拒斥电压； 实验时，把KG2间的电压 (加速电压)逐渐增加，观察电流计的电流。这样就得到A极电流随加速电压的变化情况 电子在加速运动过程中，必然要与氩原子发生碰撞。如果碰撞前电子的能量小于原子的第一激发电位对应的能量eU0（对氩原子U0=11.5V），那么他们之间的碰撞是弹性的。然而如果电子的能量e UG2K达到eU0 （实验中），那么电子与原子之间将发生非弹性碰撞。在碰撞过程中，电子的能量传递给氩原子。假设这种碰撞发生在栅极附近，那些因碰撞而损失了能量的电子在穿过栅极之后无力克服反向拒斥电压而到不了板极A，因此这时板流开始下降。 随着加速电压的增加，电子与原子的非弹性碰撞区域将向阴极方向移动。经碰撞而损失能量的电子在奔向栅极的剩余路程上又得到加速，以致在穿过栅极之后有足够的能量来克服反向拒斥电压而达到板极A。此时，板流又将随加速电压的增加而升高。若这个增加使电子在到达栅极前其能量又达到U0，则电子与氩原子将再次发生非弹性碰撞，即又一次下降。在 较高的情况下，电子在向栅极飞奔的路程上，将与氩原子多次发生非弹性碰撞。每当UG2K=nU0（n=1，2，…），就发生这种碰撞。（在实验中，可看出，由于仪器的接触电势的存在，每次开始下降时，所对应的加速电压并不是正好落在U0的整数倍处，可能会稍