《大学物理实验》课程教学课件（PPT讲稿）夫兰克-赫兹双光栅实验

夫兰克一赫兹实验双光栅测量微弱振动位移量武汉理工大学物理实验中心2010年9月

夫兰克－赫兹实验 双光栅测量微弱振动位移量 武汉理工大学物理实验中心 2010年9月

夫兰克一赫兹实验【背景】1914年，夫兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)采用慢电子轰击原子的方法，利用两者的非弹性碰撞将原子激发到较高能级。直接证明了原子JAMESFRANCK（夫兰克）内部量子化能级的存在，给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。因此他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。GUSTAVHERTZ（赫兹）

夫兰克－赫兹实验 【背景】 1914年，夫兰克(J.Frank) 和赫兹(G.Hertz)采用慢电子 轰击原子的方法，利用两者 的非弹性碰撞将原子激发到 较高能级。直接证明了原子 内部量子化能级的存在，给 玻尔的原子理论提供了直接 的而且是独立于光谱研究方 法的实验证据。因此他们获 得了1925年的诺贝尔物理学 奖。 JAMES FRANCK (夫兰克) GUSTAV HERTZ(赫兹)

【实验目的】（1）学习测定原子第一激发电位的方法。（2）通过实验证明原子能级的存在

【实验目的】 （1）学习测定原子第一激发电位的方法。 （2）通过实验证明原子能级的存在

（理论基础一玻尔理论】原子只能处于一系列不连放出能量续的稳定状态之中。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时会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量吸收差能量hv=E.-E初速度为零的电子在电势差U的加速电场作用下使原子从基态能量E跃迁到第一激发态能量EU：原子第一激发电位eU。= E, - E

放出 能量 吸收 能量 【理论基础—玻尔理论】 原子只能处于一系列不连 续的稳定状态之中。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 时会吸收或辐射一定频率的 电磁波，频率大小决定于原 子所处两定态能级间的能量 差 m n hv E E = − 初速度为零的电子在电势差U0的加速电场作用下， 使原子从基态能量E0跃迁到第一激发态能量E1 0 1 0 eU E E = − U0：原子第一激发电位

（实验原理UG2KUG2AUG1KKG2G1HAAK一一阴极，发出电子；OUG1K阴极K和第一栅极G之间的加速电压约1.5伏，用于消除阴极电子散射的影响。UG2K一一阴极K和第二栅极G2之间的加速电压OOUG2A一一屏极A和第二栅极G2之间设置了减速电压

【实验原理】 K G1 G2 A μA UG1K UG2K UG2A UF F IA - - - - - - - - - - - ◎K——阴极，发出电子； ◎UG1K——阴极K和第一栅极G1之间的加速电压， 约1.5伏，用于消除阴极电子散射的影响。 ◎ UG2A——屏极A和第二栅极G2之间设置了减速电压。 ◎ UG2K——阴极K和第二栅极G2之间的加速电压

·当电子eUE-Eo，则电子与氩原子会发生非弹性碰撞氩原子从电子中取得能量E}-Eo，而由基态跃迁到第一激发态，Ei-Eo=eUo。相应的电位差U,即为氩原子的第一激发电位。电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子

电子碰撞前后速率不变 •当电子eU≥E1 -E0，则电子与氩原子会发生非弹性碰撞 •当电子eU<E1 -E0时，电子与氩原子发生弹性碰撞 电子质量比氩原子质量小得多，电子能量损失很少。 氩原子从电子中取得能量E1 -E0 ，而由基态跃迁到第一 激发态， E1 -E0 =eU0。相应的电位差U0即为氩原子的 第一激发电位。 电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子

G2加速电压UG2K屏流IUG2KUG2AUG1KKG2G1HAALA逐渐增大加速电压UG2K'观察屏流I 随UG2k变化的规律

逐渐增大加速电压UG2K， 观察屏流IA随UG2K变化的规律 G2 K A 屏流IA 加速电压 UG2K K G1 G2 A μA UG1K UG2K UG2A UF F IA - - - - - - - - - - -

G2加速电压AUG2K养养养养养屏流IU一氩原子的第一激发电位dh0UG2KUo Uo l U + Uo l Uo当UG2K电子与氩电子不能屏流I显增大到等原子非弹克服拒斥著减小于(大于)性碰撞失电场到达U.时去能量屏极A

K G2 A UG2K IA U0 U0 U0 U0 U0 屏流IA 加速电压 UG2K 当UG2K 增大到等 于(大于) U0时 U0—氩原子的 第一激发电位 电子与氩 原子非弹 性碰撞失 去能量 电子不能 克服拒斥 电场到达 屏极A 屏流IA显 著减小 a b c d O

【（实验内容）本实验为FH-II型，见讲义P179（1）调节夫兰克一赫兹实验仪3TFH-I夫兰克一赫兹实验装置AmA15V0-10N开1拨至“手动”挡3置于10-挡浙江大学光学仪器厂制造4??7①合上电源开关，将“手动一自动切换开关”1拨至“手动”挡，“微电流倍程开关”3置于10-9挡

【实验内容】 （1）调节夫兰克－赫兹实验仪 ①合上电源开关，将“手动－自动切换开关”1拨至 “手动”挡， “微电流倍程开关”3置于10-9挡。 本实验为FH-Ⅱ型，见讲义P179 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 1拨至“手动”挡 3置于10-9挡

阴极至第一栅极电2D核实验装置压Uclk为1.5V。3.553416手动自动扫描板极与第二栅极电灯丝电压V）电流倍程（A压UG2A为7.5V1.3-5V1.3-15V100V15V1.3~5V1.3.-X输输接阴极至第二栅极电压UG2K（加速电压）为0V?关4器厂制造②将“电压分挡切换开关”4拨至1.3V～5V挡，旋转“1.3V～5V”调节旋钮5，使电压表读数为1.5V③将“电压分挡切换开关”4拨至1.3～15V挡，旋转“1.3～15V”调节旋钮6，使电压表读数为7.5V；④将“电压分挡切换开关”4拨至0～100V挡，旋转“0～100V”调节旋钮7，使电压表读数为0V，5根据板流I调节灯丝电压值。（影响实验顺利完成

③将“电压分挡切换开关”4拨至1.3～15V挡，旋转 “1.3～15V”调节旋钮6，使电压表读数为7.5V； ④将“电压分挡切换开关”4拨至0～100V挡,旋转 “0～100V”调节旋钮7，使电压表读数为0V， ⑤根据板流IA调节灯丝电压值。(影响实验顺利完成) ②将“电压分挡切换开关”4拨至1.3V～5V挡，旋 转“1.3V～5V”调节旋钮5，使电压表读数为1.5V； ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 阴极至第二栅极电压 UG2K（加速电压）为0V 阴极至第一栅极电 压UG1K为1.5V。 板极与第二栅极电 压UG2A为7.5V