1、1弗兰克赫兹实验1913 年丹麦物理学家玻尔（N Bohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量 Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射能量满足E = EmEn （1）对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。1914 年德国物理学家弗兰克（JFranck）和赫兹（G Hertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克赫兹实验的结果
2、为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论获 1922 年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于 1925 年获此奖。夫兰克赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。一、实验目的1、研究弗兰克赫兹管中电流变化的规律2、测量氩原子的第一激发电位；证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。二、实验仪器 LB-FH 弗兰克-赫兹实验仪，示波器三、实验原理夫兰克一赫兹实验原理(如图 1 所示) ，氧化物阴极 K，阳极 A，第一、第二栅极分别为 G1、G 2。图 1 弗兰克-赫兹实验原理图电子氩原子KG2G1AIUG2KUG1KUG2A微电流
3、仪灯丝电压2K-G1-G2 加正向电压，为电子提供能量。V G1K 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G 2-A 加反向电压，形成拒斥电场。电子从 K 发出，在 K-G2 区间获得能量，在 G2-A 区间损失能量。如果电子进入 G2-A 区域时动能大于或等于 eVG2K，就能到达板极形成板极电流 I.电子在不同区间的情况：（1） K-G1 区间 电子迅速被电场加速而获得能量。（2） G1-G2 区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差 EE 2E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到 E
4、，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。 E 称为临界能量。（3） G2-A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于 EVG2A则不能达到板极。由此可见，若 eVG2KnE 则电子在进入 G2-A 区域之前可能 n 次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流 I 随加速电压 VG2K 变化曲线就形成 n 个峰值，如图 2 所示。相邻峰值之间的电压差 V 称为氩原子的第图 2 弗兰克-赫兹实验 I 曲线2GKUa b c I (nA) 2GK(V)O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U73一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差E= eV （2
5、）四、实验内容1.用示波器测量原子的第一激发电位。2.手动测量，绘制 曲线，观察原子能量量子化情况，并用逐差法求出氩原子的第一激发2GK:UI电位。五、实验操作步骤1示波器的测量（1） 插上电源，打开电源开关，将“手动自动”档切换开关置于“自动”档。 （“自动”指 VG2A 从 0120V 自动扫描， “自动”档包含示波器测量和计算机采集测量两种。 ）（2） 先将灯丝电压 VH、控制栅（第一栅极）电压 VG1K、拒斥电压 VG2K 缓慢调节到仪器机箱上所贴的“出厂检验参考参数” 。预热 10 分钟，如波形好，可微调各电压旋钮。如需改变灯丝电压，改变后请等波形稳定（灯丝达到热动平衡状态）后再测量
6、。注意：每个 F-H 管所需的工作电压是不同的，灯丝电压 VH 过高会导致 F-H 管被击穿（表现为控制栅（第一栅极）电压 VG1K 和 VG2K 的表头读数会失去稳定） 。因此灯丝电压 VH 一般不高于出厂检验参考参数 0.2V 以上，以免击穿 F-H 管，损坏仪器。（3） 将仪器上“同步信号”与示波器的“同步信号”相连， “Y”与示波器的“Y”通道相连。 “Y 增益”一般置于“0.1V”档；“时基”一般置于“ 1ms”档，此时示波器上显示出弗兰克- 赫兹曲线。（4） 调节“时基微调”旋钮，使一个扫描周期正好布满示波器 10 格；扫描电压最大为120V，量出各峰值的水平距离（读出格数） ，乘
7、以 12V格，即为各峰值对应的 VG2K 的值（峰间距），可用逐差法求出氩原子的第一激发电位的值，可测 3 组算出平均值。4（5） 将示波器切换到 X-Y 显示方式，并将仪器的“X ”与示波器的“X”相连，仪器的“Y”与示波器的“Y”通道相连，调节“X”通道增益，是整个波形在 X 方向上满 10 格，量出各峰值的水平距离（读出格数） ，乘以 12V格，即为峰间距，可用逐差法求出氩原子的第一激发电位的值，可测 3 组算出平均值。2手动测量（1）将“手动自动”档切换开关置于“手动”档，微电流倍增开关置于合适的档位（说出档位选择的依据） 。（2）先将灯丝电压 VH、控制栅（第一栅极）电压 VG1K、
8、拒斥电压 VG2K 缓慢调节到一起机箱上所贴出的“出厂检验参考参数” 。预热 10 分钟，如波形不好可微调各电压旋钮。如需改变灯丝电压，改变后等波形稳定（灯丝达到热动平衡状态）后再测量。注意：每个 F-H 管所需的工作电压是不同的，灯丝电压 VH 过高会导致 F-H 管被击穿（表现为控制栅（第一栅极）电压 VG1K 和拒斥电压 VG2K 的表头读数会失去稳定） 。因此灯丝电压 VH 一般不高于检验参考参数 0.2V 以上，以免击穿 F-H 管，损坏仪器。（3）旋转第二栅极电压 VG2K 调节旋钮，测定 IA-VG2K 曲线。是栅极电压 VG2K 逐渐缓慢增加（太快电流稳定时间将变长） ，每增加
9、 0.5V 或 1V，待阳极电流表读数稳定（一般都可以立即稳定，个别测量点需若干秒后稳定）后，记录相应的电压 VG2K,阳极电流 IA 的值（此时显示的数值至少可稳定 10 秒以上） 。读到 120 V，个别仪器可以选择读到 118V。注意：因有微小电流通过阴极 K 而引起电流热效应，致使阴极发射电子数目逐步缓慢增加，从而使阳极电流 IA 缓慢增加。在仪器上表现为：某一恒定的 VG2K 下，随着时间的推移，阳极电流 IA 会缓慢增加，形成“飘”的现象。虽然这一现象无法消除，但此效应非常微弱，只要实验时方法正确，就不会对数据处理结果产生太大的影响：即 VG2K 应从小至大依次逐渐增加，每增加 0
10、.5V 或 1V 后读阳极电流表读数，不回读，不跨读。5以下两种操作方法是不可取的，应尽量避免：1）回调 VG2K 读阳极电流 IA.。因为电流热效应的存在，前后两次调至同一 VG2K 下相应的阳极电流 IA 可能是不同的。2)大跨度调节 VG2K.，这样阳极电流表读数进入稳定状态所需的时间将大大增加，影响实验进度。（4）根据所取数据点，列表作图。以第二栅极电压 VG2K 为横坐标，阳极电流 IA 为纵坐标，作出谱峰曲线。读取电流峰值对应的电压值，用逐差法计算出氩原子的第一激发电位。（5）实验完毕后，请勿长时间将 VG2K 置于最大值，应将其旋至较小值。六、数据处理要求1.示波器测量（表格仅供
11、参考，以自己设计为准）表 1 第一激发电位测量数据序号 1 2 3 4 5 6 7 8峰值格数VG2K（V）2.手动测量（表格仅供参考，以自己设计为准）表 2 手动数据记录N 1 2 3 4 5 6 7 8 9VG2KIAN 10 11 12 13 14 15 16 17 . .VG2KIA63.作出 曲线，确定出 I 极大时所对应的电压 .2GK:UI 2GKU4.用最小二乘法或者逐差法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。(3)2GKan式中 n 为峰序数， U 为第一激发电位。思考题：1. 曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？2GK:I2.I 的谷值并不为零，而且谷值依次沿 轴升高，如何解释？2GK3.第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？4.写出氩原子第一激发态与基态的能级差。
