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古之立大事者,不惟有超世之才,亦必有坚忍不拔之志。——苏轼
夫兰克-赫兹实验
资源09-2
陈深高
一、实验目的
1.测量氢原子的第一激发电势,证明原子能级的存在,从而加深对量子化概念的认识.
2.加深对热电子的发射的理解,学习将电子与原子碰撞的微观过程与宏观物理量相结合的
实验设计方法.
3.了解微电流的测量方法.
二、实验原理
1.激发电势
根据波尔理论,(1)原子只能较长时间地停留在一些稳定状态(简称为定态)。
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
立的。原子的能量不论通过什么方式发生改变,他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另一个定态而发射或吸收辐射时,辐射频率是
一定的。若用E和E表示有关两定态的能量,辐射频率决定于关系式
mn
hEEh6.631034JS
mn,其中普朗克常数。
原子稳定态的改变通常在两种情况下发生,一是当原子本身吸收或发出电磁
辐射时,二是通过原子与其他粒子的碰撞交换能量而实现。本实验中为了使原子
从低能级向高能级跃迁,通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的
办法来实现。
如以E代表原子的基态能量、E代表原子的第一激发态的能量,那么当原
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子从电子传递来的能量恰好满足eUEE时,原子就会从基态跃迁到第一激
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发态,而相应的电势差称为原子的第一激发电势(或称原子的中肯电势)。夫兰
克一赫兹实验的原理图如图1所示,核心部分是一个充氩气的四极管,电子由热
阴极K发出。第一栅极的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。阴
极K和第二栅极G之间的加速电压UG2K使电子加速。在阳极A和第二栅极
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G之间加有反向拒斥电压UG2A。管内空间电势分布如图2所示。当电子通过
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古之立大事者,不惟有超世之才,亦必有坚忍不拔之志。——苏轼
KG空间进入GA空间时,如果有较大的能量(≥eUG2A),就能冲过反向拒
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斥电场而到达阳极形成电流,被微电流计检出。如果电子在KG空间与原子碰
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撞,把自己一部分能量传给原子而使后者激发,电子本身剩余的能量就很小,以
致通过第二栅极后已不足以克服拒斥电场而被折回到第二栅极,这时,通过微电
流计的电流将显著减小。
实验时,使U电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示,如果原子
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