石河子大学：《综合物理实验》课程实验讲义（近代物理实验）弗兰克－赫兹实验

石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 弗兰克一赫兹实验 弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子 碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔 的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 1913年丹麦物理学家玻尔(NBor)提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指 出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量E)向低能态（能量￡）跃迁时才辐射。 辐射能量满足 AE=E-E (1) 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。 1914年德国物理学家弗兰克(J-Franck)和赫兹 (G-Hertz)用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第 A 一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又 0 观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出 的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克一赫兹实验 的结果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论 原 获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925 年获此奖。 【实验目的】 1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调 图1弗兰克-赫兹实验原理图 节和使用方法。 2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。 3、测量氧原子的第一激发电位： 4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解： 【实验器材】 智能型弗兰克赫兹实验仪，计算机，示波器 【实验原理】 夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K,阳极A,G,、G,分别为第 一、第二栅极。 K-G-加正向电压，为电子提供能量。U。x的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响 提高发射效率。G-A加反向电压，形成拒斥电场

石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 弗兰克—赫兹实验 弗兰克-赫兹实验是 1914 年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子 碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔 的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 1913 年丹麦物理学家玻尔（NwBohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。该理论指 出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。 辐射能量满足 ∆E = Em−En （1） 对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。 氩原子 电子 I 微电流仪 A G1 G2 K 灯丝电压 UG1K UG2A UG2K 1914 年德国物理学家弗兰克（ JwFranck）和赫兹 （GwHertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第 一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又 观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出 的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验 的结果为玻尔理论提供了直接证据。玻尔因其原子模型理论 获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925 年获此奖。 【实验目的】 1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调 节和使用方法。 图 1 弗兰克-赫兹实验原理图 2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。 3、测量氩原子的第一激发电位； 4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解； 【实验器材】 智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器 【实验原理】 夫兰克一赫兹实验原理如图 1 所示，在真空管中充待测氩气，阴极K，阳极A，G1 、G2分别为第 一、第二栅极。 K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响， 提高发射效率。G G K1 U 2-A加反向电压，形成拒斥电场。 1

石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 电子从K发出，在R-G:区间获得能量，在GA区间损失能量。如果电子进入GA区域时动能大于 或等于eU。,A,就能到达阳极形成阳极电流乙 电子在不同区间的情况： 1.-G区间电子迅速被电场加速而获得能量。 2.GGz区间电子与氩原子碰撞。当其能量小于氢原子第一激发态与基态的能级差4E=- 时，氯原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到4区，则可能在碰撞中被 氯原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。4称为临界能量。 3.G-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eW则不能达 到阳极。 由此可见，若en4B,则电子在进入Ga-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流随加速电 压U。s变化曲线就形成个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差4称为氩原子的第一激发电 位。氩原子第一激发态与基态间的能级差 (2) 【实验内容及步骤】 测量原子的第一激发电位。通过一I曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氯原子的第 激发电位。 一、实验步骤 1.将面板上的四对插座（灯丝电压，UG,x:第二栅压，UGx:第一橘压，Uc,A:拒斥电压）按 面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器） 连接好。 2.打开仪器电源，开启计算机（或示波器）。 3.“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动”灯点亮。 4.电流档为10A、10A、10'A和10‘A、开机时位于“10A”本实验保持此档不变。 5.按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压UaK、拒斥电压A、电流量程预置相 应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“人”键或“V”键，更改预置值，若按下“<”健或 2

石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大于 或等于e ，就能到达阳极形成阳极电流I. G A2 U 电子在不同区间的情况： 1. K-G1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。 2. G1-G2区间 电子与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差∆E＝E2−E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到∆E，则可能在碰撞中被 氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。∆E称为临界能量。 3. G2-A区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eU G2A则不能达 到阳极。 I(nA) a b c G K2 U (V) O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 由此可见，若eUG2Kn∆E，则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。阳极电流I随加速电 压 变化曲线就形成n个峰值，如图 2 所示。相邻峰值之间的电压差∆U称为氩原子的第一激发电 位。氩原子第一激发态与基态间的能级差 G K2 U ∆E= e∆U （2） 【实验内容及步骤】 测量原子的第一激发电位。通过UG2K-I曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一 激发电位。 一、实验步骤 1．将面板上的四对插座（灯丝电压， ：第二栅压， ：第一栅压， ：拒斥电压）按 面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。将实验仪器与计算机（或示波器） 连接好。 G K2 U G K1 U G A2 U 2．打开仪器电源,开启计算机(或示波器)。 3．“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动 ”灯点亮。 4．电流档为 10−9 A、10−８ A、10−７ A和 10−６ A、开机时位于“10−9 A”本实验保持此档不变。 5．按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压 G K1 U 、拒斥电压 、电流量程I预置相 应值。按下相应电压键，指示灯点亮，按下“∧”键或“∨”键，更改预置值，若按下“<” 键或 G A2 U 2

石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 “>”键，可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。 6.电子管的加载。同时按下“st”键和“>”键，则灯丝电压，第一橱压，第二栅压和拒斥电压 等四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载”指示灯亮。注意：只有四组电压都加载时，此 灯才常亮。 7.四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验。 8.按下“自动/手动”键，此时“自动”灯点亮。此时仪器进入自动测量状态。 9.在自动测量状态下，第二栅压从0开始变到85V结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置，并 记录相应的第二栅压值。 10.自动状态测量结束后，按“自动/手动”键到“手动”状态，等待5分钟后进行手动测量。 11.改变第二栅压从0开始变到85V结束，要求每改变1V记录相应I和UG,K值。 12.实验完毕后，同时按下“st”键+“<”键，“加载”指示灯熄灭，使四组电压卸载。 13.关闭仪器电源。 二、数据处理 1.作出a一I曲线，确定出极大时所对应的电压Uc,K· 2.用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。 【思考题】 1.一I曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？ 2.I的谷值并不为零，而且谷值依次沿Uc,x轴升高，如何解释？ 3.第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？ 4.写出氩原子第一激发态与基态的能级差。 【注意事项】 灯丝电压和加速电压过大会导致电子管电离，电子管电离后电子管电流会自发增大直至烧毁。 一旦发现I为负值或正值超过10μA,迅速关机，5分钟后重新开机。 3

石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 “>” 键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。 6．电子管的加载。同时按下“set” 键和“>” 键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压 等四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载 ”指示灯亮。注意：只有四组电压都加载时，此 灯才常亮。 7．四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验。 8．按下“自动/手动”键，此时“自动 ”灯点亮。此时仪器进入自动测量状态。 9．在自动测量状态下，第二栅压从 0 开始变到 85V 结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置，并 记录相应的第二栅压值。 10．自动状态测量结束后，按“自动/手动”键到“手动”状态，等待 5 分钟后进行手动测量。 11．改变第二栅压从 0 开始变到 85V 结束，要求每改变 1V 记录相应 I 和 值。 G K2 U 12．实验完毕后，同时按下“set ”键 +“< ”键，“加载 ”指示灯熄灭，使四组电压卸载。 13．关闭仪器电源。 二、数据处理 1.作出UG2K-I曲线，确定出I极大时所对应的电压 . G K2 U 2.用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。 【思考题】 1. UG2K-I曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？ 2.I 的谷值并不为零，而且谷值依次沿 轴升高，如何解释？ G K2 U 3.第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？ 4.写出氩原子第一激发态与基态的能级差。 【注意事项】 灯丝电压和加速电压过大会导致电子管电离，电子管电离后电子管电流会自发增大直至烧毁。 一旦发现 I 为负值或正值超过 10μA，迅速关机，5 分钟后重新开机。 3