弗兰克 赫兹实验.doc

弗兰克—赫兹实验
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
DE = 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
图1弗兰克-赫兹实验原理图
电子
氩原子
K
G2
G1
A
I
UG2K
UG1K
UG2A
微电流仪
灯丝电压
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
DE=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DE,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。DE称为临界能量。
图2弗兰克-赫兹实验~I曲线
a b c

I (nA)
O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7
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<DE,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=DE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eUG2K>nDE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DU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
DE= eDU (2)
四、实验内容