实验3-2夫兰克-赫兹实验——南开大学近代物理实验一、实验背景1914年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发，为玻尔原子理论提供了有力的证据。1925年，夫兰克和赫兹共同获得了诺贝尔物理学奖。FrankHertz二、实验原理•（一）玻尔理论1.两条基本假设：(1)定态假设。原子只能处在一些不连续的稳定状态中，每一状态相应于一定的能量值(2)频率定则。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，就吸收或辐射一定频率的电磁波，其频率满足）；,,,,,3,2,1（nmiEi为普朗克常数）（hEEhmn2、临界能量：处于正常状态的原子发生状态改变时，电子给予该原子的能量不能少于该原子从正常状态跃迁到第一受激态所需的能量，这个能量称为临界能量。电子能量>临界能量，非弹性碰撞电子能量<临界能量，弹性碰撞3、原子状态通常在以下两种情况发生改变：（1）电子本身吸收或放出电磁波辐射；（2）原子与其他粒子发生碰撞交换能量。4、用电子轰击原子以进行能量交换，此时，假设初速度为零的电子在电位差V的加速下具有激发速度满足或称临界电位称为第一激发态电位，212gmnegVEEmeV)(102001836144表示为：电子损失的能量可粗略,21K，动能为初速度为,m量为，速度为零，电子质M子在碰撞前具有质量赫兹实验中，假设汞原在夫兰克电子损失的能量极小。，量和能量守恒原理可知生弹性碰撞。由系统动时，电子和原子只能发VV当)1（050020gmMKKKMmm子能量将使原子电离。时，电V受激态，最后到某一值以使原子跃迁到更高的电子具有的能量足由于加速电场的作用，:V电离电位非弹性碰撞。时，电子和原子将发生VV）当2（iig5、实验装置如图所示，F-H管中封有灯丝F，栅极G1、G2和板极P。被灯丝F加热的阴极K发出大量的电子作为慢电子的来源。在加速电压V的作用下，这些电子穿过汞蒸气朝栅极加速，使电子获得能量。由于管子阴极到栅极的距离较大，在适当地汞蒸气下，这些电子与汞原子有足够的机会发生多次碰撞。栅极G2和板极P之间加一“拒斥”电位VG2P，能量小于eVG2P不能到达极板。ＩPVFVG1KKVG2KG1VG2AG2电子汞原子P灯丝夫兰克—赫兹管结构图5、实验装置用电流计测量电子流IP，其值的大小反映了从阴极到达板极的电子数。VG1K的作用是克服阴极附近的“电子云”，使电子能顺利地发射。如图，作出IP-V曲线。图2-2-4夫兰克—赫兹管的Ip～VG2K曲线oIpacbdeV1V2V3V4V5V6(nA)VG2Ko。Ip形成小，可以顺利到达板极失的能量很发生弹性碰撞，电子损空间、，与汞原子在eV9.4量小于时，电子获得的能9.4当)1（2KGVVKG不会为零。Ip在，所以存发后非弹性碰撞的电子第一次下降。由于有未Ip达板极，克服拒斥场到电子损失能量后，不能碰撞，使汞原子激发，汞原子发生非弹性时，电子在栅极附近与9.4、当)2（2VVKG电压而增大。克服拒斥场，板流又随栅极的途中得到加速以电子在奔向，经碰撞而损失能量的撞区域向阴极方向移动性碰时，电子与原子的非弹9.429.4、当)3（2VVVKG汞原子发生跃迁。再次下降，又有一部分Ip碰撞，两次非弹性时，电子与汞原子发生9.42、当)4（2VVKG。V9.4峰间距离为变，出现一次峰值，且突Ip时，都将伴随一次),2,1(9.4、当)5（2nnVVKG栅极间的电场强度。为阴极,的变化。满足关系子的平均自由程电子与汞原度发生改变，从而引起温度改变时汞蒸气的密为汞的第一激发电位；9.4注：EeEKV三、实验装置四、实验内容•（一）仔细阅读实验室预备的实验说明书，熟悉实验装置，按照电路图连接实验电路。•（二）加热控温部分：1、将温度计插入炉顶，温度计棒上有一固定夹用来调节炉中的温度。固定夹的位置已调整好，温度计棒直接插入即可。2、温度计棒尾端有电缆连到“传感器”专用插头上，将此“传感器”插头插入控温仪后面板专用插座上。3、用电源线夹将加热炉和控温仪连接起来。4、打开控温仪电源，指示灯亮，旋动仪器右侧的控温旋钮，设置所需的温度。5、加热炉升温约30分钟，待温控继电器跳变时，表示达到预定的炉温。•（三）其他部分1、将...
