大学物理实验夫兰克赫兹.ppt

1914年,夫兰克()和赫兹()用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法,使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量,直接证明了原子内部量子化能级的存在,证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的,不连续的。给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。由于此项卓越的成就,他俩获得了1925年的诺贝尔物理学奖。本实验是物理中的一个经典实验,曾获诺贝尔物理学奖一、实验目的本实验的目的是通过测定氖原子的第一激发电位,证明原子能级的存在,加深对“量子化”概念的认识。二、实验原理1、玻尔原子理论原子只能较长久地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,其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变,它只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。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Em和En代表有关二定态的能量,辐射频率υ由如下关系决定:式中:普朗克常量h=×1O-34J·S(焦耳·秒)2、F-H实验的原理设氖原子基态能量为E1,第一激发态能量为E2,初速为零的电子在电位差为V0的加速电场作用下,获得能量为eV0,使具有这种能量的电子与氖原子发生碰撞:当电子能量eV0<E2-E1时:电子与氖原子只发生弹性碰撞,由于电子质量很小,电子能量损失很少。如果eV0≥E2-E1=ΔE,则电子与氖原子会产生非弹性碰撞。氖原子从电子中取得能量ΔE,而由基态跃迁到第一激发态,eV0=ΔE。相应的电位差V0即为氖原子的第一激发电位原子从低能级向高能级的跃迁,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。如图,在弗兰克——赫兹管中,电子从热阴极K发出,阴极和栅极g1,g2之间的加速电压U1,U2使电子加速。在板极A和栅极g2之间加有反向拒斥电压U3。弗兰克——赫兹管结构图电子氖原子K当电子通过Kg空间进入gA空间时。如果能量大于eV3就能达到板极形成板极电流。如果电子在Kg空间与氖原子发生了非弹性碰撞后,电子本身剩余的能量小于eV3,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。随着V2的增加,电子能量增加,当电子与氖原子碰撞后还留下足够的能量,可以克服gA空间的减速场而到达板极A时,板极电流又开始上升。如果电子在Kg空间得到的能量eV=2ΔE时,电子在Kg空间会因二次弹性碰撞而失去能量,而造成第二次板极电流下降。在VgK较高的情况下,电子在跑向栅极的路程中,将与氖原子发生多次非弹性碰撞。只要满足VgK=nV0(n=1,2,…),就会发生这种碰撞。在IA-VgA曲线上将出现多次下降。对于氖,曲线上相邻两峰(或谷),对应的V2之差,即为原子的第一激发电位。我们将观察到如图所示的IA-V2曲线。三、实验仪器设备