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...
