夫兰克赫兹实验知识课件.ppt

夫兰克-、实验目的了解玻尔的原子模型理论。用实验的方法测定氩原子的第一激发电势,从而证明原子能级的存在。二、实验原理玻尔提出的原子理论指出:(1)原子只能较长地停留在一些稳定状态(简称为能级)。原子处在这些能级时,不发射或吸收能量;原子在各能级时有确定的能量,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,它只能从一个能级跃迁到另一个能级。(2)原子从一个能级跃迁到另一个能级而发射或吸收辐射时,辐射频率是一定的。如果用Em和En代表有关两能级的能量的话,辐射的频率n由如下关系确定:hn=Em-En式中h为普朗克常数,其公认值为:h=×10-34J·S夫兰克—赫兹管的构造原理如图1所示。在夫兰克-赫兹管中充待测气体,灯丝电源Vf给灯丝和阴极K加热,电子由热阴极K发出,阴极K和第一栅极G1之间的加正电压,其作是消除电子在阴极附近的堆积效应,起到控制电子流大小的作用。第二栅极的加速电压使电子加速,在阳极P和栅极G之间加有反向拒斥电压。管内空间电势分布如图2所示。当电子通过空间进入空间时,如果有较大的能量(≥eUP-UG2),就能冲过反向拒斥电场而到达阳极形成阳极电流IP,为微电流计检出。如果电子在空间与待测气体原子碰撞,把自己一部分能量给了待测气体原子而使后者激发的话,电子本身所剩余的能量就很小,以至通过第二栅极后已不足以克服拒斥电场而被折回到第二栅极。这时,通过电流计的电流就将显著减小。实验时,使G2-K间的电压VG2逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示。如果原子能级确实存在,而且基态与第一激发态之间有确定的能量差的话,就能观察到如图3所示的IP~VG2的曲线。图3所示的曲线反映了在空间电子与气体原子进行能量交换的情况。当空间电压逐渐增加时,电子在空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段由于电压较低,电子的能量较少,即使在运动过程中它与原子相碰撞也只有微小的能量交换(为弹性碰撞)。穿过栅极的电子所形成的板流将随栅极电压VG2的增加而增大。当电子的能量达到待测气体原子的第一激发电势U0时,电子在空间与气体原子相碰撞,将自己从加速电场中获得的全部能量交给后者,并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于把绝大部分能量交出,即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回栅极(被筛选掉)。所以阳极电流将显著减小。如果第二栅极电压继续增加,电子的能量又随之增加,在与气体原子相碰撞后还留下足够的能量,可以克服反向拒斥电场而达到阳极P,这时电流又开始上升。直到电子的能量达到二倍于气体原子的第一激发态能量时,电子在G2-P间又会因二次碰撞而失去能量,因而又造成了第二次阳极电流的下降。因此凡在栅极电压VG2=nU0+E(n=1,2,3…)(3)的地方阳极电流IP都会相应下跌,形成规则起伏变化的IP~VG2曲线。式(3)中的E为与金属电子逸出功有关的某一常量。