夫兰克-赫兹大物实验VIP免费

夫兰克-赫兹实验资源09-209011203陈深高一、实验目的1.测量氢原子的第一激发电势,证明原子能级的存在,从而加深对量子化概念的认识.2.加深对热电子的发射的理解,学习将电子与原子碰撞的微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法.3.了解微电流的测量方法.二、实验原理1.激发电势根据波尔理论，（1）原子只能较长时间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，其数值是彼此分立的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，他只能从一个定态跃迁到另一个定态。（2）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。若用Em和En表示有关两定态的能量，辐射频率决定于关系式nmEEh，其中普朗克常数SJ1063.634h。原子稳定态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或发出电磁辐射时，二是通过原子与其他粒子的碰撞交换能量而实现。本实验中为了使原子从低能级向高能级跃迁，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。如以E1代表原子的基态能量、E2代表原子的第一激发态的能量，那么当原子从电子传递来的能量恰好满足120EEeU时，原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电势差称为原子的第一激发电势（或称原子的中肯电势）。夫兰克一赫兹实验的原理图如图1所示，核心部分是一个充氩气的四极管，电子由热阴极K发出。第一栅极的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。在阳极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压UG2A。管内空间电势分布如图2所示。当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（≥eUG2A），就能冲过反向拒斥电场而到达阳极形成电流，被微电流计检出。如果电子在KG2空间与原子碰撞，把自己一部分能量传给原子而使后者激发，电子本身剩余的能量就很小，以致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，通过微电流计的电流将显著减小。实验时，使UG2K电压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，而且基态和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IA～UG2K曲线。图3所示的曲线反映了原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。当KG2空间电压逐渐增加时，电子在KG2空间被加速而获得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中他与原子相碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）。穿过第二栅极的电子所形成的电流IA将随第二栅极电压UG2K的增加而增大（如图3的oa段）。当KG2间的电压达到原子的第一激发电位U0时，电子在第二栅极附近与原子相碰撞，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。而电子本身由于把全部能量给了原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回第二栅极（被筛选掉）。所以阳极电流将显著减小（图3所示ab段）。随着第二栅极电压的增加，电子的能量也随之增加，在与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到达阳极A，这时电流又开始上升（bc段）。直到KG2间电压是二倍原子的第一激发电位时，电子在KG2间又会因二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次阳极电流的下降（cd段），同理，凡在......)3,2,1(02nnUUKG的情况下，阳极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的IA～UG2K曲线。在UG2K较高的情况下，电子在向栅极飞奔的过程中，将会与原子发生多次碰撞，即出现碰撞—加速—碰撞等重复的过程，而各次阳极电流IA下降时相对应的阴、栅极电势差Un+1-Un即为原子的第一激发电势U0。IA～UG2K曲线上阳极电流IA并不是突然下降的，而是有一个变化的过程，这是因为阴极发射的电子的初始速度不是完全相同的，服从一定的统计分布规律。另外，由于电子与原子的碰撞有一定的几率，在大部分电子与原子碰撞而损失能量的时候，还会有一些电子没有发生碰撞而到达了阳极，所以阳极电流不会降为零原子处于激发态是不稳定的。在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，进行这种反跃迁时，就有eU0电子伏特的能量发射出...