夫兰克-赫兹实验.doc

夫兰克─赫兹实验根据玻尔理论,原子只能较长久地停留在一些稳定状态(即定态),其中每一状态对应一定的能量,其数值是彼此分离的。原子的核外电子在能级间进行跃迁时要吸收或发射定值的能量。原子内部能量的量子化,也就是原子的间隔能级的存在,除由光谱的研究可以推得外,还有今天的实验可以证明。原子与具有一定能量的电子发生碰撞,就可以使原子从低能级跃迁到高能级。1914年(玻尔理论发表的第二年),夫兰克()和赫兹()用慢电子与稀薄气体中的原子碰撞的方法,使原子从低能级激发到高能级,通过测量电子和原子碰撞时交换的某一定值的能量,直接证明了玻尔提出的原子能级的存在,并指出原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的。他们因这一伟大的成就而获得1925年的诺贝尔物理学奖。设和分别为原子的第一激发态和基态能量。初动能为零的电子在电位差的电场作用下获得能量,如果(6-3-1)那么当电子与原子发生碰撞时,原子将从电子攫取能量而从基态跃迁到第一激发态。相应的电位差就称为原子的第一激发电位。【实验目的】了解玻尔原子理论的基本内容。通过测定氩原子的第一激发电位,验证玻尔的原子理论。【实验原理】本实验通过做一个与夫兰克—赫兹的原始实验类似的实验来测定氩元素的第一激发电位,证明原子能级是量子化的。夫兰克—赫兹实验仪器的最初设计如图6-3-1所示,椭圆形的玻璃器为夫兰克—赫兹管,在管中充入要测量气体。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板极A,成为通过电流计的电流。如果电子在KG空间与原子碰撞,把自己的一部分能量给了原子,使后者被激发,则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G1,构成四极管。如图6-3-2所示。图6-3-1夫兰克—赫兹实验装置图图6-3-2改进后的夫兰克—赫兹实验装置图最常见的夫兰克—赫兹管是充汞蒸汽或氩气的。下面以充氩的四极管(图6-3-2)为例说明实验原理。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。这样就得到板极电流随加速电压的变化情况,如图6-3-3所示。当夫兰克—赫兹管中的灯丝加热时,被加热的阴极K发射大量的电子,第一栅极G1与阴极K之间加上约2V的电压(),其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响。阴极发射的电子经过第一栅极后,在第二栅极G2与阴极K之间的加速电压的作用下,向栅极G2作加速运动,图6-3-3曲线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e(对氩原子=),那么它们之间的碰撞是弹性的。(这类碰撞过程中电子能量损失是很小的,仅为其本身能量的约10-5倍。)然而如果电子的能量e达到e(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。随着的增加,电子与原子的非弹性碰撞区域将