实验9夫兰克一赫兹实验一、概述夫兰克—赫兹实验仪是重复1914年德国物理学家夫兰克(J·Frank)和赫兹(G·Hertz)进行的电子轰击原子的实验,通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的方法,使原子从低能级跃迁到高能级,直接观测到原子内部能量发生跃变时,吸收或发射的能量为某一定值,从而证明了原子能级的存在及玻耳理论的正确性。二、工作原理电子与原子的碰撞过程可用以下方程描述:mev12+MV22=mev1′2+MV2′2+△E(1)式中:me—电子质量;M—原子质量;V1—电子碰撞前的速度;V1′—电子碰撞后的速度;V2—原子碰撞前的速度;V2′—原子碰撞后的速度;△E—原子碰撞后内能的变化量。按照玻耳原子能级理论,△E=0弹性碰撞;(2)E1-E0非弹性碰撞;式中:E0—原子基态能量;E1—原子第一激发态能量。电子碰撞前的动能mev12<E1-E0时,电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞,△E=0,原子仍停留在基态。电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能2121212121mev2≥E1-E0,才能与原子产生非弹性碰撞,使原子获得某一值(E1-E0)的内能从基态跃迁到第一激发态,调整加速电场的强度,电子与原子由弹性碰撞到非弹1性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。夫兰克—赫兹管即为此目的而专门设计。本仪器采用的充氩四极夫兰克—赫兹管实验原理如图1。图1夫兰克—赫兹管实验原理图图2IA—VG2K曲线第一栅极(G1)与阴极(K)之间的电压VG1K约1.5V,其作用是消除空间电荷对阴极(K)散射电子的影响。当灯丝(H)加热时,热阴极(K)发射的电子在阴极(K)与第二栅极(G2)之间正电压VG2K形成的加速电场作用下被加速而取得越来越大的动能,并与G2K空间分布的气体氩的原子发生如(1)式所描述21cdba0V1V2V3V4V5V6V7(V)G2KIA(nA)V的碰撞进行能量交换。在起始阶段,VG2K较低,电子的动能较小,在运动过程中与氩原子的碰撞为弹性碰撞。碰撞后到达第二栅极(G2)的电子具有动能mev1′2,穿过G2后将受到VG2A形成的减速电场的作用。只有动能mev1′2大于eVG2A的电子才能到达阳极2(A)形成阳极电流IA,这样IA将随着VG2K的增加而增大,如图2中IA—VG2K曲线Oa段所示。当VG2K达到氩原子的第一激发电位11.8V(注)时,电子与氩原子在第二栅极附近产生非弹性碰撞,电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氩原子,使氩原子从较低能级的基态跃迁到较高能级的第一激发态。而电子本身由于把全部能量传递给了氩原子,即使它能穿过第二栅极也不能克服VG2A形成的减速电场的拒斥作用而被拆回的第二栅极,所以阳极电流将开始减少,随着VG2K的继续增加,产生非弹性碰撞的电子越来越多,故IA不增反降,如图2曲线ab段所示,直至b点形成IA的谷值。b点以后继续增加VG2K,电子在VG2K空间与氩原子碰撞后到达G2时的动能足以克服VG2A减速电场的拒斥作用而到达阳极(A)形成阳极电流IA,与Oa段类似,形成图2曲线bc段。C点以后电子在VG2K空间又会因第二次非弹性碰撞而失去能量,与ab段类似形成第二次阳极电流IA的下降,如图2曲线cd段,依此类推,IA随着VG2K的增加而呈周期性的变化如图2。相邻两峰(或两谷)对应的VG2K值之差即为氩原子的第一激发电位值。注:天津大学出版社出版的《大学物理实验》(茅林川等编著,1997年2月第一版)提供的氩原子第一激发电位为11.8V,实验采用充氩四极夫兰克—赫兹管,实测氩原子第一激发电位非常接近11.8V,供各位用户参考。三、面板说明FH-Ⅲ型夫兰克—赫兹实验仪面板布置如图3:2121图3夫兰克—赫兹实验仪面板布置图31、IA量程切换开关,分4档:1uA/100nA/10nA/1nA2、电流表,指示IA电流:IA=IA量程切换开关1指示值×电流表2读数/100,如1指示100nA,本电流表读数10,则IA=100nA×10/100=10nA3、电压表,与电压指示切换开关9配合使用,可分别指示VH、VG1K、VG2A、VG2K各种电压,VH、VG1K、VG2A最大可显示19.99V,VG2K最大可显示199.9V。4、将仪器接入AC220V后,打开电源开关。5、VG2K输出端口,接至示波器或其它记录设备X轴输入端口,此端口输出电压为VG2K的1/10。6、自动/手动切换开关。接入为“自动”位置,与快速/慢速切换开关7及VG2K调节旋扭13配合使用,可选择电压扫描速度及范...