大学物理实验夫兰克-赫兹实验讲义.docx

夫兰克-赫兹实验 一、实验简介 1914年夫兰克J -Franek)和赫兹(G -Hertz)所作的实验(即著名的Franck-Hertz 实验)，用电子碰撞原子的方法，观察测量到了汞的激发电位和电离电位。 从而证 明了原子能级的存在，为前一年玻尔发表的原子结构理论的假说提供了有力的实 验证据。为此他们分享了 1925年的诺贝尔物理学奖。他们的实验方法至今仍是 探索原子结构的重要手段之一 ? 为了研究原子内部的能态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用低 速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原子内 部量子化能级的存在。 二、实验目的 1、 观察Ar、Hg原子能级的量子化现象 2、 观测实验各参数对实验曲线的影响 3、 测量Hg或Ar原子的第一激发电位 4、 测量Hg原子的电离电位 三、实验原理 农 'p, 农 'p, ln. 'f, s, phl| : L t I1K笊图 图1 Hg原子能级图 其中 61So(0eV)为基态，63Pi(4.9eV)为激发态，63Po(4.7eV)、63P2( 5.47eV) 为亚稳态。 实现能级跃迁吸收光子E E 实现能级跃迁 吸收光子 E Em En h 原子与电子碰撞 E Em En eU p2c 原子与电子碰撞 E Em En eU p2c2 mfc4 mec2 处于激发态的原子不稳定， 发射光子回到低能态。 四、实验方法 实验原理图 F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射 电子，Gi控制通过Gi的电子数目，G2加 速电子，Gi、G2空间较大，提供足够的碰 撞空间已保证合适的碰撞概率，P接收电 子，PG2加一遏止电压，使损失了动能的 电子不能到达P而形成电流。 图2测激发曲线原理图 实验曲线 图3激发曲线示意图 碰撞过程及能量交换 此过程在G1G2空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹 性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大， 就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量, 不能到达P从而不能形成电流。 Vg2k = 4.7V时，能使原子激发到63F0，此态较稳定，不容易再产生跃迁， 故不容易观察到这个吸收。 Vg2k = 4.9V时，使原子激发到63Fi，引起共振吸收，电子速度几乎为零从 而不能到达P,形成第一个峰。 Vg2k = 9.8V时，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在 G2处失去动能，形成 第二个峰。 Vg2k = 4.9nV时，将形成第n个峰。 在实验中，有Vg2k V。 E n,其中n 1,2, ，E为第一激发电位。 电子平均自由程入对激发或电离的影响 充汞F-H管中的电子平均自由程主要由炉温决定，还与电子速度等有关。 入很短时，相邻两次碰撞间获得加速能量小，能使原子激发到第一激发态， 不容易激发到较高能态。 入很长时，相邻两次碰撞间获得加速能量大，激发到高能态的可能性很大， 所以在入很长，加速电压较高时，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能 态，甚至电离。 五、实验内容 注：本实验有 5套 F-H 管充氩，另 5套 F-H 管充汞，实验时请前一半同学测氩 的数据，后一半同学测汞的数据，之后两边对调测量。 充氩管 F-H 实验内容如下： 1、 对照图 2 熟悉实验装置各旋钮、按键的功能与用法，见下图 4； 2、 将加速电压当成X信号，收集极电流当成丫信号输入示波器； 3、 示波器旋钮置于校准位置； 4、 在参考值附近50%￡围内调节 V VP、VGik VG2K,观测并用文字描述各实验参 数对激发曲线的影响，根据实测 Ip--- VG2K 曲线确定各参数； 5、 用示波器测量充氩F-H管的Ip--- Vg2k曲线各峰、谷的位置，求出氩原子的第 一激发电位； 提示：氩原子的第一激发电位等于实验测量值的 10倍！ 图4 充氩管F-H实验仪 6课间计算： 若已知在汞蒸汽中电子的平均自由程 与温度T、蒸汽压p的关系为： kT 2~ r P 式中k为玻尔兹曼常数，汞原子半径r 0.176nm根据附录列出的数据分别计算 出80、90、100、160、170、180C时电子在汞蒸汽中的平均自由程 。 附录：汞在不同温度下的蒸汽压 温度厂C 蒸汽压/Pa 60 3.4 70 6.4 80 11.8 90 21.1 100 36.4 110 61.0 120 99.4 130 158.1 140 246.0 150 374.2 : 160 558.5 170 817.0 180 1172.7 : 190 1656.3 200 2304.7 图5充汞管F-H实验仪 充汞管F-H实验内容如下： 1、 对照图2熟悉实验装置各旋钮、按键的功能与用法，并正确连接电路。图 5 为实物图； 2、 设置