1、夫兰克赫兹实验曲线的分析第 l9 卷第 1 期哈尔滨师范大学自然科学 Vo1.19,No.12003NATURALSClENCESJOURNALOFHARBINNORMALUNIVERSlTY夫兰克大=兄赫兹实验曲线的分析周小莉刘兴全孙禹(浙江台州学院)(哈尔滨电缆厂)【摘要】本文就夫兰克赫兹实验的曲线,作了较为详尽的补充分析.指出一.曲线的峰间距为 4.9V,不是最低激发态到基态间跃迁的能量 ,此峰间距并非定值,与具体的实验条件有关.关键词:夫兰克赫兹实验;跃迁;峰间距在原子物理学和量子力学发展史中有三类最重要最有名的实验;一是证明光量子的实验,包括黑体辐射,光电效应,康普顿效应等;二是证明
2、原子中量子态的实验,如光谱实验,夫兰克赫兹实验;三是证实物质波形的实验,如戴维孙革末实验等.他们在近代物理的发展中有着重要的作用已不可辩驳,在各类教材,实验中均被提及.但由于各种原因的限制,在普通教材中有些实验很难详细分析和介绍,对初次接触此问题的学生造成了很大的疑问,甚至误解.本文就夫兰克赫兹实验的曲线做了较为详尽的补充分析,指出.一曲线的峰间距为 4.9V 并不是恒定不变的,且此值也并非就是汞原子的最低激发态能量到基态的能量.1 实验方案介绍1914 年,即玻尔理论发表的第二年,夫兰克和赫兹进行了电子轰击原子的实验,证明了原子内部的能量确实是量子化的.其实验的示意图如图!所示 .在玻璃容器
3、中充以待测的气体.电子从容器内的热阴极 K 发出,经 K 极栅极 G 之间的电场加速.而在 G 与接收极 A 之问加一反向电压,当电子通过 G 空问进入 G 空间时,若有较大能量.则就可以克服电场而到达接收极,成为通过收稿日期:20021215电流计的电流;若电子在 KG 区域与原子发生非弹性碰撞,电子把自己的能量给了原子,那么电子剩下的能量就可能很小,经过栅极后,不足以克服反向电压而抵达 4.若这类电子数目很多,那么电流计的度数将减少.实验中选择电子激发汞蒸气,从理论上知,真正能使原子激发的最大的能量是碰撞前两粒子体系质心等能量,假设原子近似认为是静止的,则质心系能量与入射电子实验室动能 E
4、.的关系为 E一,/fM+)E,M 是原子的质量,可见电子质图 1 夫兰克一一赫兹实验示意图量小,就能以最大限度的把自己的能量转交给原子.第 l 期夫兰克赫兹实验曲线的分析 37图 2KG 间的电压2 实验结果分析当 KG 的电压逐渐增大时,观察,与 VGA 的关系曲线,下图取自复旦大学近代物理实验室对汞的第一激发电势的测量(如图 2).众所周知,汞原子的基本电子组态是 6S6S,形成 6.S.基态 .第一激发态的电子组态是 6S6P,按 L 一耦合,形成 6P.和 6.P.根据洪特定则,63P.1.能级低于 6 尸 1,E:P0P1P2,所以6.|).是第一激发态.从汞原子的能级图 (如图
5、3),得知 63P.和 6.s.的能级间隔.,是 4.67V,而非4.9V,实验中所得的第一激发电势是 6.P.到6.态的跃迁结果.639286235O54OS9-1eS.02S37图 3 汞原子的能级图表 1 激发能,激发截面和平均自由程的关系原予态临界激发能最大激发截面平均自f 程63p04.7V0.35*10-2 较大63Pl4.923.8lO.fn2般63p25.594.3l020m 最小根据跃迁选择定则 AS=0 及.,从 0 到 0 的跃迁是禁戒的,故三重态到单一态的跃迁是禁戒跃迁.从图 3 的实验结果可看出,6.P.和 6.P.态是不能通过电偶极跃迁辐射回到基态的.因而它们成为寿
6、命较长的亚稳态.但汞原子内部的自旋轨道相互作用使得 6.P.态中含有少量的单一态,即 6.P.态不是纯的三重惫因此,从 6.P.态到6.态的跃迁是允许的,其辐射波长为 253.7nm,故实验中观察到的正是这种跃迁的辐射,峰间隔为4.89V.其次,可以从激发截面上发析,表 1 给出了6.P.小各态的 f 临界激发能,最大激发截面,平均自由程的相对大小关系.在电子从 KG 空间加速过程中,当动能达到 4.67V 时,使原子从 6.激发到 6.P.态是可能的 ,但由于其平均自由程较大 ,故与原子发生非弹性碰撞的几率很小,大量的电子将持续获得动能,使能量达到或超过 4.9V.由于汞原子在 4.9V 时
7、的最大激发截面较高,所以大量的电子与汞原子发生非弹性碰撞使原子激发到 6.尸.态,少量电子继续增加到 5.5V 或更高的能量,足以将汞原子激发到 6.P 态.有文献报道实验曲线与汞蒸气压 P(Hg)(密度)和管的结构 d 有关.表 2 显示了峰间距与PHg*d 关系.表 2 峰间距与 P(Hg)*d 关系PtHg)*d/mPa?cm 峰间距/V42O1003 结论从以上分析可知,c 曲线的峰间距为4.97 并不是恒定不变的,也并非就是汞原子的最低激发态到基态的能量.参考文献l 杨福家.原子物理学.高等教育出版社.20022 吴思诚.王祖铨.近代物理实验.北京:北京大学出版社 .19863 曾谨
8、言.量子力学.北京出版社,19824 马志民.原子物理疑难问题专论.黑龙江:黑龙江教育出版社 ,1907他拈38 哈尔滨师范大学自然科学 2003 年ANALYSISONFRANCK-HERTZEXPERIMENTCURVEZhouXiaoli(TaizhouUniversity)LiuXingquanSunYu(HarbinCableWorks)ABSTRACTAftermakingfurtherdetailedanalysisonFranckHertzexperimentcurve,thispaperpointoutthatthepeakva1ue.f4.9Vbetweencurves-VKGisn.tthetransiti.nenergYfromtheactiVatedleveltothegroundlevelandthatpeakva1ueisnotfixed,whichVarieswiththespecificexprim“tcondition.Keywords:FranckHertzexperiment;Transition;Peakvalue
