夫兰克-赫兹实验原理.doc

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仅供个人参考
不得用于商业用途
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弗兰克-赫兹实验
【实验目的】
（1） 测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。
（2） 分析温度、灯丝电流等因素对 F-H （夫兰克-赫兹）实验曲线的影响。
（3） 了解在微观世界中，电子与原子的碰撞存在几率性。
【实验原理】
根据玻尔提出的原子理论，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
态对应于一定的能量值， 各定态的能量是分立的， 原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差的
能量。如果处于基态的原子要发生状态改变， 所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发
态时所需要的能量。为使原子从低能级 En向高能级Em跃迁，可以通过吸收一定频率 ：:的光子来
实现，其光子的能量由下式决定：
h = Em —En （
其中：普朗克常量 h= 10-34 J • S
U的加速下，速
也可能通过与具有一定能量的电子碰撞来实现。若与之碰撞的电子是在电势差 度从零增加到v并将全部能量交换给原子，则有
I 2 eU mv = Em —En （
2
由于Em— En有确定的值，对应的 U就应该有确定的 夫兰克-赫兹实验原理 大小。当原子
吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的 U称为 第一激发电
势。
夫兰克-赫兹实验原理如图
实验中原子与电子碰撞是在弗兰克 -赫兹（F-H）管内 进行的。一般
次安装加热灯
G之间还安装 他元素。管内
的夫兰克-赫兹管是在圆柱状玻璃管壳中沿径向或轴向依 丝、阴极K、网状栅极G及板极A，有的在阴极 K和栅极 有第一阳极Gi。将管内抽取至高真空后，充入高纯氩或其 充以不同元素的气体就可以测岀相应元素的激发电势。
设氩原子的基态能量为 Ei，第一激发态的能量为 E2，初速为零的电子在电位差为 Uo的加速
电场作用下，获得的能量为eUo。具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞， 当电子能量eUo< E2
—Ei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eUo>E2— Ei = E，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞。氩原子从电子中取得能量 ：E，而
由基态跃迁到第一激发态，eUo = E。相应的电位差Uo即为 夫兰克-赫兹管管内电位分布 氩原子
图5 12
的第一激发电位。 图..
在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出，阴 极K和
栅极G之间的加速电压 Ugk使电子加速。在板极 A和栅 极G之
间加有减速电压 Uag，管内电位分布如图，当电子通过 KG 空
间进入GA空间时，如果能量大于 eUAG就能达到板极形 成 板
流。电子在KG空间与氩原子发生了非弹性碰撞后，电子 本身剩
余的能量小于 eUAG，则电子不能到达板极，板极电流将 会随栅
极电压增加而减少。实验时使 Ugk逐渐增加，仔细观察板极电压的变化，我们将观察到如图
夫兰克-赫兹管的Ia-UGk曲线
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图
随着Ugk的增加，电子能量增加，当电子