物理实验之弗兰克赫兹实验.doc

弗兰克-赫兹实验 摘要：该报告阐明了弗兰克-赫兹实验的历史背景及实验目的，并研究了弗兰克-赫兹实验的设计思想及实验方法。通过此实验证明了原子能级的存在。 Abstract: This research paper, first talking on the background and purpose of Frank-Hertz Experiment, has a study on its designing idea, and the way to work on the experiment. At last, the conclusion is drawn that the energy level do exist in the atom. 一、前言 玻尔原子理论 作为基本假设，玻尔提出：原子只能处于一系列不连续的状态，这些状态具有分立的确定的能量值，称为定态；原子从一个定态过渡（跃迁）到另一个定态将伴随着辐射或吸收电磁波，电磁波的频率υ与两定态的能量值Em和En的关系为 hυ= Em－En （1） 式中 h=6.63×10-34Js，称为普朗克常量。 原子在正常情况下处于基态（最低能态），当原子吸收电磁波或受到其它有足够能量的粒子碰撞时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。 弗兰克－赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持。1914年，弗兰克（James Franck，1882—1964）和G..赫兹（Gustav Hertz，1887—1975）在研究充汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸汽的电子流随电子的能量显现出周期性的变化。他们的结论是： （1）汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止； （2）此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V的加速； （3）可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为253.6nm的汞谱线的能量子； （4）4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势。 从而证明了原子内部能量是量子化的，进一步论证了原子能级的存在。为此，弗兰克和赫兹获得了1925年诺贝尔物理奖。 二、实验原理和实验设计思想 如何检验玻尔的假说呢？弗兰克和赫兹设想，让具有一定能量（速度）的电子与稀薄气体的原子发生碰撞，并观测研究这些电子在碰撞前后的速度分布。如果发生的是弹性碰撞，碰撞中既不能改变原子的能量，也不损失电子的能量，碰撞后电子的速度分布并不改变；如果发生非弹性碰撞，原子将吸收电子的能量，电子则因损失了能量而改变其速度分布。弗兰克-赫兹实验的结果表明，在电子速度小于某一临界速度时，电子与原子发生弹性碰撞；在速度达到临界速度时发生非弹性碰撞，电子将能量交给原子，原子因吸收能量而过渡到较大的能量状态。换言之，原子要么不吸收能量，发生弹性碰撞。要么只吸收两个定态能量的差值，发生非弹性碰撞，从而直接证明了原子内部的能量确实是不连续的，是量子化的。 1. 激发电位的测定 在弗兰克-赫兹管（即F-H管）中充以要测量的气体，电子由热阴极K发出。在K的近处加一个小的正向电压UG1K，起到驱散在热阴极上电子云的作用。在K与栅极G2之间加电场使电子加速，加速电压为UG2K 。G1和G2之间的距离较大，为电子与气体原子提供较大的碰撞空间，从而保证足够高的碰撞概率。 在G2与接收电子的极板A之间加有反向拒斥电压UG2A。当电子通过KG2空间，进入G2A空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反向拒斥电场而到达板极A，成为通过电流击的电流IA，进而被检测出来。如果电子在KG2空间与原子碰撞，把自己一部分能量给了原子，使后者被激发，电子本身所剩下的能量就可能很小，以致通过栅极后不足以克服拒斥电场，那就达不到板极A，因而不通过电流计。如果这样的电子很多，电流计中的电流就要显著的降低。实验时，把KG2间电压逐渐增加，观察电流计的电流IA，这样就得到板极A电流随KG2 之间加速电压的变化情况。通过IA-UG2K曲线的研究可得出原子能级的不连续性。 2.影响实验结果的因素 （1）接触电位差和空间电荷 实际的F-H管的阴极和栅极往往是不同的金属材料制作的，因此会产生接触电位差。接触电位差的存在，使真正加到电子上的加速电压不等于UG2K，而是UG2K与接触电位差的代数和。这将影响F-H实验曲线第一个峰的位置，使它左移或右移。开始，阴极K附近积聚较多电子，这些空间电荷使K发出的电子受到阻滞而不能全部参与导电。随着UG2K的增大，空间电荷逐渐被驱散，参与导电的电子逐渐增多，所以IA-UG2K曲线的总趋势呈上升状。 （2）电子平均自由程对激发或电离的影响 主要由炉温决定，还与电子速度等有关