2、弗兰克-赫兹实验.ppt

实验背景1914年德国科学家弗兰克和赫兹在研究气体放电中低能电子与原子相互作用时发现，透过汞蒸汽的电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化。该实验证实了原子内部的能量是量子化的，为此1925年弗兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。弗兰克JamesFranck，1882—1964G.赫兹GustavHertz，1887—1975赫兹起初只是为了测量汞原子的电离电势，并非为了证明玻尔的假设。在玻尔正苦思如何用实验来证明自己怪异的原子理论时，意外地发现了弗兰克和赫兹的实验，同时意识到弗兰克和赫兹的实验结果与自己的理论预测有较大的差异，于是他撰文重新诠释了弗兰克和赫兹的实验结果，如果玻尔的解释正确，那么弗兰克和赫兹的实验地位将大大提高。有趣的是，弗兰克和赫兹并不认可玻尔的解释，相反，他们还再次撰文重申自己的主张，直到1919年戴维斯等改进了“弗兰克-赫兹”的实验装置，获得了与玻尔预期一致的结果，历时趣事二、实验目的测量氩原子的第一激发电位原子只能处于一些分立的稳定的能量状态(简称定态),它的能量不可能连续变化而只能是突变，即“跃迁”．原子从一个定态跃迁到另一个定态发射或吸收能量，辐射的频率是一定的：电离∞EnEmE1第一激发态E0基态三、实验原理/2.1原子的能级原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受到其它有足够能量的粒子碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。从基态跃迁到第一激发态所需要的能量称为临界能量。“弗兰克-赫兹”实验的设计思想是利用慢电子与原子发生碰撞，通过收集发射电子在弗兰克赫兹管后端形成的电流与加速电压间的关系来探寻原子内部规律。三、实验原理/2.2实验设计原理灯丝电压VF：电压越大，单位时间发射电子数越多。第一栅极电压VG1：类似聚焦的作用，防止电子散射打到管壁上。第二栅极电压VG1：给电子加速。拒斥电压VP：给电子减速，防止电子过快，电流饱和。图1弗兰克赫兹管原理图设氩原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是△E=E2-E1。初速度为零的电子在电位差为V的加速电场作用下具有能量eV，若小于eVE2-E1时，则电子与氩原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量eV≥E2-E1时，电子与氩原子就会发生非弹性碰撞，氩原子将从电子的能量中吸收相当于E2-E1的那份能量，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。设使电子具有能量E2-E1所需加速电场的电位差为V0，则eV0=E2-E1式中：V0为氩原子的第一激发电位，是本实验要测的物理量。当电子的动能小于原子的第一激发能级时，只发生弹性碰撞，当电子的动能大于原子的第一激发电位时，电子将一份能量交给原子，速度迅速下降，出现第一个峰谷，加速电压继续增加，直到VG2是2倍氩原子第一激发能级，出现第二个峰谷……三、实验原理/2.3谱峰曲线原理这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。。为VG2横坐标，Ig为纵坐标就可以得到谱峰曲线，两相邻谷点（或峰尖）间的加速电压差值，即为氩原子的第一激发电位值四实验仪器/仪器面板1、“自动”对应的VG2是内部的锯齿电压，作用是急速电压自动变化。对应于示波器观测模式，调节参数时需要在自动模式。2、“手动”对应的VG2是直流电压，电压表显示的是直流电压。测量时需要选择手动模式。3、“快速”“慢速”指的是VG2的频率4、电流选择建议10nA”5、四个电压共用一个电压表，所以对应一个选择旋钮。调节电压是选到响应的位置。电压选择钮四实验仪器/实验观察与参数调节1、灯丝电压：部分仪器1.8V左右，部分仪器需要2.7V左右2、VG1：1.0~1.5V3、VP：8.0~11V实验步骤:第一步:VG2接CH1，IG接CH2，选到自动挡，快速模式，调节VF，VG1，VF，示波器图形如下图。第二步:选到手动挡，从小到大调节VG2，测出至少6个峰和6个谷。1、常见故障：灯丝电压电压过高，后面几个峰会饱和出现平顶。处理：减低灯丝电压Vf增加拒电压Vp峰值平顶四实验仪器/实验观察与参数调节五数据处理要求1、画出加速电压和电路中电流之间的关系2、算出氩原子的