弗兰克赫兹实验报告

弗兰克赫兹实验报告实验 29 弗兰克-赫兹实验 1913 年玻尔发表了氢原子理论，提出了原子能级概念。光谱学的研究证明了有原子能级，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，弗兰克和赫兹在 1914 年用慢电子轰击稀薄气体原子的方法，利用两者非弹性碰撞，使原子从低能态激发到高能态，通过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内部量子化能级的存在，并验证了玻尔提出的发射和吸收的频率定则。因此，...

实验 29 弗兰克-赫兹实验 1913 年玻尔发表了氢原子理论，提出了原子能级概念。光谱学的研究证明了有原子能级，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，弗兰克和赫兹在 1914 年用慢电子轰击稀薄气体原子的方法，利用两者非弹性碰撞，使原子从低能态激发到高能态，通过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内部量子化能级的存在，并验证了玻尔提出的发射和吸收的频率定则。因此，他们获得了 1925 年度诺贝尔物理奖。 [实验目的] 1．了解弗兰克-赫兹实验的设计思想和基本实验方法。 2．通过测量原子第一激发电位和电离电位，加深对原子结构的了解。 [实验原理] 玻尔理论指出：原子中的核外电子只能较长久地停留于一些稳定的状态（定态）。此时，原子具有一定的能量，且不发射或吸收电磁辐射。这些能量彼此分隔、不连续分布。原子能量不论通过什么方式发生改变，只能从一个定态跃迁到另一个定态。跃迁时，原子发射或吸收的辐射频率一定。若用Em和 En分别代表两不同定态的能量，则辐射频率ν 与定态能量间关系为 mn EEh −=ν h=6.63×10-34J·s，称普朗克常量。原子在能级之间的跃迁，亦可通过具有一定能量的电子与原子碰撞交换能量实现。初速为零的电子经电势差为U0的电场加速，获得能量eU0。当这些电子与稀薄气体（如汞原子）发生碰撞，就会发生能量交换。若传递能量恰为图 1 F-H 实验仪器原理图 12 2 0 2 1 EEmveU −== E1为原子基态能量，E2为第一激发态能量，则原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的 U0被称为原子的第一激发电位（中肯电位）。测出此U0，就可以根据上式求出原子基态和第一激发态之间的能量差。弗兰克-赫兹实验（F-H 实验）原理如图 1 所示。 F-H管中充满低压水银蒸汽，电子从被加热的灯丝F发射出来，在加速电压UGK的作用下，电子获得加速度并向栅极G运动。在栅极G和板极 P之间有一个较小的反向电压，起到对电子动能选择作用。经过反向电压减速后的电子穿过G到达P，于是在电路中观察到板极电流IＰ。 U0 U0 U0 U0 UGK IP 图 2 F-H 实验结果图 2 给出板极电流随加速电压变化的实验结果。从图中可以看出，板极电流并不总是随加速电压的增加而增大。在起始阶段给IP随UGK而增加，当IP达到峰值后，随UGK的增加IP急剧下降。然后IP又随UGK而增加出现第二个峰值，随之又急剧下降，此后又出现第三个峰值，等等。上述实验结果只能用原子中电子能量不连续来解释：设汞原子的基态能量为E1，第一激发态能量为E2，当动能为E1的电子和汞原子相碰撞时，若电子的动能Ek小于汞原子第一激发态能量E2与基态能量E1之差，即 Ek 检测 F-H管的板极电流。扫描选择开关：用来选择“手动”或“自动”工作方式。“手动”测量时，输出加速电压UG2K为 0~90V连续可调。“自动扫描”测量时，可输出周期变化的锯齿波扫描电压，扫描电压的上限幅度可由“自动上限”旋纽调节。极性选择开关：可改变微电流放大器输出电压的极性。微电流放大器量程选择开关：测量范围为 10-8，10-7，10-6A三挡。 F-H 管本实验使用的是一种充氩（Ar）气的特殊真空管，性能为谱峰数≥5。通过后面板的玻璃窗口可观察到内部的 F-H 管。装置外形如图 3 示。F，F：F-H管灯丝电级；K：阴极；G1：第一栅极；G2：第二栅极；P：板极。 [实验步骤] 实验测定F-H管（本实验所用为充氩管）的IP~UG2K曲线，观察原子能量量子化现象，并由此求出氩原子的第一激发电位。 1．按图 3 连线路（注意：切勿将线路接反和短路，以免损坏仪器）。经指导教师检查后方可接通电源。 2．将“扫描选择”开关拨向“自动”，此时栅压指示的数字电表会缓慢来回跳动。预热 20~30 分钟后，进行“零点”和“满度”校准，待仪器正常稳定工作后，方可连机测试。 3．将测量放大器“扫描选择”开关拨向“手动”，“手动调节”旋纽旋至最小，“灯丝电压”旋钮也旋至最小。 4．选择适当的实验条件，如UF=2 伏，UG1k=1 伏，UG2P=7.5 伏（或按F-H管箱上标签所示值调节）。用手动方法改变UG2K，同时观察微电流计上Ip的变化。如果UG2K增加时电流迅速增加则表明F-H管产生击穿，应立即调低UG2K。如果希望有较大的击穿电压。可以用增高气体密度或降低灯丝电压来达到。 5．进行粗略观察：先将测量放大器“倍率”旋钮拨到“×10-8”或“×10-7”，旋动“手动调节”旋钮，缓慢增加UG1k的电压值，全面观察一次Ip的起伏变化情况。若在全过程测量中，电流表指示偏小，可适当加大灯丝电压（每次增大为 0.1V~0.2V 为宜）。当“μA”表指针至满度时，可以改变“倍率”旋钮，扩大量程以读出Ip值。观察过程中应适当改变实验条件（如改变灯丝电压），使微电流计能出现 5 个以上峰值。 6．粗略观察后，选取合适的实验点记录数据，使之能完整真实地描绘出IP~UG2K曲线。测量时从“0”伏起仔细调节UG2K，细心观察Ip随UG2K的变化。读出Ip的峰谷值和对应每一个Ip峰谷值的UG2K的电压。为了便于作图，在峰、谷值附近应多测几组Ip和UG2K的值。 7．按下表记下测量数据（先读Ip值，后读UG2K值）及测试条件。取适当比例在坐标纸上作IP~UG2K曲线，由此计算出相邻峰~峰值或谷~谷值之间的电位差，求平均值，并进行误差分析，得出所测量的第一激发电位的U0值。测试条件：UF（灯丝电压）= 伏，T（室温）= ℃ UG2K(V) IP(μA) UG2K(V) IP(μA) [注意事项] 1．实验过程中若产生电流击穿（即电流表严重过载超出量程现象），要立即将加速电压减少到零。采用“自动扫描”工作方式时，可将“扫描选择”开关拨到“手动”档，然后改变实验条件，如减小灯丝电压或降低扫描电压上限。 2．F-H 管采用间热式氧化物阴极，改变灯丝电压后会有 1 分钟左右的滞后。 [思考题 ] 1．汞的中肯电位是 4.9V，为什么UG2K要加大到 10V左右才出现第一个IP的峰值？ 2．从实验曲线可以看到板极电流并不是突然改变的，每个峰和谷都有圆滑的过渡，这是为什么？ 3．分析一下电子与汞原子发生弹性碰撞时电子的能量损失，并与非弹性碰撞时电子的能量损失（中肯电位）进行比较（汞原子的质量约为电子质量的 37 万倍）。（姚建国）

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