夫兰克-赫兹实验.doc

1913年,丹麦物理学家玻尔()发表了氢原子理论,并指出原子存在能级。该理论在预言氢光谱的观察中取得了显著的成功。根据玻尔的原子理论,原子光谱中的每根谱线都相应表示了原子从某一个较高能量状态向另一个较低能量状态跃迁时的辐射。除了可由光谱研究推得原子能级的存在,德国物理学家夫兰克()和赫兹()在1914年采用慢电子与单元素气体原子碰撞的方法,使原子从低能量激发到高能级,通过实验测量电子和原子碰撞时交换的能量,确定了这一能量为某一定值,令人信服地证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是分立的、不连续的,证明了原子能级的存在,从而证明了玻尔理论的正确。因此,他们获得了1925年诺贝尔物理奖。实验目的通过对汞原子的第一激发电位的测定,证明原子具有能级,加深对微观粒子的基本特性──能量量子化的认识。实验原理根据玻尔的原子理论,原子只能处于一系列不连续的稳定状态(定态)之中,每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3…),这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态,其它高能级所对应的状态称为激发态,如图1所示。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。图1原子能级跃迁示意图当原子从一个定态跃迁到另一个定态时会吸收或发射一定频率的电磁波,辐射的频率ν决定于原子所处两定态能级间的能量差:式中普朗克常数h=×10-34J•s本实验是通过具有一定能量的电子与稀薄气体的原子(比如十几个乇的氩原子)碰撞,进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁。设氩原子的基态能量为E0,第一激发态的能量为E1,初速为零的电子在电位差为V的加速电场作用下,获得能量为eV,具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞,当电子能量时,电子与氩原子只能发生弹性碰撞,由于电子质量比氩原子质量小得多,电子能量损失很少。如果,则电子与氩原子会产生非弹性碰撞,氩原子从电子中获取能量ΔE,由基态跃迁到第一激发态,。相应的电位差Vc即为氩原子的第一激发电位(或中肯电位)。实验装置夫兰克-赫兹仪,示波器。ZKY-FH-2智能夫兰克-赫兹实验仪本实验仪采用充氩的夫兰克-赫兹管,基本结构见图2。电子由热阴极K发出,阴极K和第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。第一栅极G1和阴极K之间的加速电压VG1K用于消除阴极电子散射的影响。在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压VG2A。当电子通过KG2空间进入G2A空间时,如果有较大的能量(≥eVG2A),就能冲过反向拒斥电场图2夫兰克-赫兹管结构图而到达板极形成板流,为微电流计μA表检出。如果电子在KG2空间与氩原子碰撞,把自己的一部分能量传给氩原子而使后者激发的话,电子本身所剩余的能量就很小,以致通过第二栅板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μA表的电流将显著减小。在实验中,逐渐增加VG2K,由电流计读出板极电流IA,如果原子能级确实存在,而且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话,就能观察到如图3所示的变化曲线。图3夫兰克-赫兹管的IA~VG2K曲线图3所示的曲线反映了氩原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。当KG2空间电压逐渐增加时,电子在KG2空间被加速而取得越来越大的能量。在起始阶段,由于电压较低,电子的能量较小,即使在运动过程中它与氩原子相碰撞