夫兰克-赫兹教案.docx

夫兰克-赫兹教案.docx课时安排：3学时 教学课型： 实验课
夫兰克-赫兹
教学目的要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
通过测定氯原子的第一位激发电位（即中肯电位），证明原子能级的存在。学习用图象分 析法得出结论。
教学内容（注明：*重点 #难点 ？疑点）：
一、 实验所用仪器：
FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪、示波器
二、 实验原理部分：
波尔提出的原子理论指出：
1、 原子只能较长的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，其数值是彼此分离的。原子的能量不论通过什么方式发生 改变，它只能从一定态跃迁到另一定态。
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。如果 用其〃和En分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率v决定于如下关系：
hv = En-Em （1）
式中，
为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以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。
在正常的情况下原子所处的定态是低能态，称为基态，其能量为Elo当原子以某种形 式获得能量时，它可由基态跃迁到较高的能量的定态。称为激发态，激发态能量为电的称 为第一激发态，从基态跃迁到第一激发态所需的能量称为临界能量，数值上等于E2-EIo
通常在两种情况下可让原子状态改变，一是当原子吸收或发射电磁辐射进，二是用其它 粒子碰撞原子而交换能量时。用电子轰击原子实现能量交换最方便，因为电子的能量eU, 可通过改变加速电势U来控制。夫兰克-赫兹实验就是用这种方法证明原子能级的存在。
如果电子的能量eU很小时，电子和原子只能发生弹性碰撞，几乎不发生能量交换；设 初速度为零的电子在电位差为S的加速电场作用下，获得能量eUo。当具有这种能量的电 子与稀薄气体原子（比如十几个王;的氯原子）发生碰撞时，电子与原子发生非弹性碰撞，实 现能量交换。如以所代表氯原子的基态能量、&代表氯原子的第一激发态能量，那么当氯 原子吸收从电子传递来的能量恰好为
eU0 =E2-E, （2）
这时，氯原子就会从基态跃迁到第一激发态。而且相应的电位差称为氯的第一激发电位 （或称为中肯电位）。测定出这个电位差Uo,就可以根据C2）式求出氯原子的基态和第一 激发态之间的能量差了（其它元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。夫兰克赫兹 实验的原理图如（图一）所示。
在充氯的夫兰克-赫兹管中，电子由热阴极出发，阴极K和第二栅极G2之间的加速电 压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压VG2A。管内空间电位 分布如（图二）所示。当电子通过K-G2空间进入G2-A空间时，如果有较大的能量（MeVG2A）， 就能冲过反向拒斥电场而达板极形成板流，为微电流计表检出。如果电子在K-G2空间与氯 原子碰撞,把自己一部分能量传给氯原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小， 以致通过第二栅极后已不足于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计表的 电流将显著减小。
实验时，使Vg2K电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示，如果原子能级确实存在， 而且基态和第一激发态之间存在确定的能量差的话，就能观察到如（图三）所示的Ia〜VG2K 曲线。（图三）所示的曲线反映了