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弗兰克－赫兹实验实验报告 ———————————————————————————————— 作者 : ———————————————————————————————— 日期： ? 弗兰克－赫兹实验 一 实验目的 通过测定汞原子的第一激发电位 ,证明原子能级存在。 二 实验原理 1 激发电势 玻尔的原子能级理论 (1) 原子只能长时间的停留在一些稳定的状态， （简称定态 ) 。原子在这些状态时 ,不发射或吸收能 量；各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变 ,它只能从 一个定态跃迁到另一个定态。 ( ２） 原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的 ,满 足 hv Em En (1 ） 原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。 设初速度为零的电子在电势差为 U 的加速电场作用下，获得的能量为ｅＵ，当具有这种能量的 电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以Ｅ 1 带表汞原子的基态能量 ,E2 代表 汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为 eU 0 E2 E1 （2) 时 ,汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势 (中肯电势 )。 夫兰克 -核子实验原理如图 1 示。 A I / GK 图 3 夫兰克 - 赫兹管第一激发电势的 I A-UGK 曲线 U / 在充汞的夫兰克赫兹管中 , 电子有阴极发出，阴极 K 和栅极 G 之间的加速电压 UGK 供电子加速。 在板极 A 和栅极 G 之间加有拒斥电压Ｕ ＡG 。管子空间电位分布如图 2 示。当电子通过 KG 空间进入 G Ａ空间时 ,如果有较大的能量 （≥eUAG ),就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流 ,为微电流计 PA 检测出。 如果电子在 KG 空间与汞原子碰撞 ,把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话 ,电子 本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计 的电流将显著的减小。 实验时，观察电流计的电流随Ｕ GK 逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话 ,而且基态与 第一激发态有确定的能量差 ,就能观察到如图 3 示的 I Ａ-U ＧK 曲线。曲线反映了汞原子在Ｋ G 空间与电 子进行能量交换的情况。当 KG 空间电压逐渐增加时，电子在 K Ｇ空间被加速而取得越来越大的能 量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的 能量交换 （弹性碰撞 )。穿过栅极的电子形成的板流 IA 将随栅极电压的增加而增大 ( 图中 OA 段）。当 KG 间的电压达到汞原子的第一激发电势 U0 时, 电子在栅极附近与汞原子相碰撞 ,将自己从加速电场 中获得的