PDF《实验1.2 弗兰克-赫兹实验》

实验1.

2 弗兰克-赫兹实验 根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型指出原子的核外电子只能量子化的长存 于各稳定能态En (n=1, 2, ?, ), 它只能选择性地吸收外界给予的量子化的能量差值(En- Ek), 从而处于被激发的状态;

或电子从激发态选择性地释放量子化的能量En-Ek =hγ nk,回到能量 较低的状态,同时放出频率为hγ nk 的光子.其中h为普朗克常数. 1914年,德国科学家弗兰克(J.Franck)和赫兹(G.Hertz)用慢电子与稀薄气体原子 碰撞的方法, 使原子从低能级激发到高能级.并通过对电子与原子碰撞时能量交换的研究, 直接证明了原子内部能量的量子化.夫兰克和赫兹的这项工作获得了1925年度的Nobel物理 学奖金. 弗兰克――赫兹实验仪重复了上述电子轰击原子的实验, 通过具有一定能量的电子与原 子相碰撞进行能量交换, 使原子从低能级跃迁到高能级, 直接观测到原子内部能量发生跃变 时,吸收或发射的能量为某一定值,从而证明了原子能级的存在及波尔理论的正确性.

一、实验目的 1.通过测氩原子第一激发电位,了解Franck和Hertz在研究原子内部能量量子化方面所采用 的实验方法. 2.了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像.

二、实验仪器 FH―1A Franck-Hertz 实验仪、示波器等.

三、实验原理 图1是充氩四极 Franck-Hertz 实验原理图. 图1Franck-Hertz 实验原理图 电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述: (2.1) 式中: me――原子质量;

M――电子质量;

v――电子碰撞前的速度;

v'――电子碰撞后的速度;

V――原子碰撞前的速度;

V'――原子碰撞后的速度;

Δ E――原子碰撞后内能的变化量. 按照波尔原子能级理论, Δ E=0 弹性碰撞;

(2.2) Δ E=E1-E0 非弹性碰撞;

式中: E0 ――原子基态能量;

E1――原子第一激发态能量. 电子碰撞前的动能 < E1-E0 时,电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞,Δ E=0 , 原子仍然停留在基态.电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能 ≥ E1-E0, 才能在电子产生非弹性碰撞,使得电子获得某一值(E1-E0)的内能从基态跃迁到第一激发 态, 调整加速电场的强度, 电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现 出来. Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的. 在充入氩气的 F-H 管中(如图

2 所示) ,阴极 K 被灯丝加热发射电子,第一栅极(G1) 与阴极 K 之间的电压 VG1K 约为 1.5V ,其作用是消除空间电荷对阴极 K 的影响.当灯丝 加热时,热阴极 K 发射的电子在阴极 K 与第二栅极(G2)之间正电压形成的加速电场作用 下被加速而取得越来越大的动能,并与 VG2K 空间分布的气体氩原子发生如 (2.1) 式所描述 的碰撞而进行能量交换.第二栅极(G2)和A极之间的电压称为拒斥电压,起作用是使能 量损失较大的电子无法达到 A 极. 阴极 K 发射的电子经第一栅极(G1)选择后部分电子进入 G1G2 空间,这些电子在 加速下与氩原子发生碰撞.初始阶段, VG2K 较低,电子动能较小,在运动过程中与氩原子作 弹性碰撞,不损失能量.碰撞后到达第二栅极(G2)的电子具有动能 ,穿过 G2 后将受到 VG2K 形成的减速电场的作用.只有动能 大于 eVG2A 的电子才能到达阳 极A形成阳极电流 IA, 这样,IA 将随着 VG2K 的增加而增大, 如图 IA― VG2K 曲线 Oa 段所示. 当VG2K 达到氩原子的第一激发电位 13.1V 时,电子与氩原子在第二栅极附近产生非弹 性碰撞, 电子把从加速电场中获得的全部能量传给氩原子, 使氩原子从较低能级的基态跃迁 到较高能级的第一激发态. 而电子本身由于把全部能量给了氩原子, 即使他能穿过第二栅极 也不能克服 VG2A 形成的减速电场的拒斥作用而被拆回到第二栅极,所以阳极电流将显著减 少,随着 VG2A 的继续增加,产生非弹性碰撞的电子越来越多,IA 将越来越小,如图 2.2 曲线ab 段所示,直到 b 点形成 IA 的谷值. 图2IA――VG2K 曲线 b 点以后继续增加 VG2K ,电子在 G2K 空间与氩原子碰撞后到达 G2 时的动能足以克服 VG2A 加速电场的拒斥作用而到达阳极(A)形成阳极的电流 IA ,与Oa 段类似,形成图 2.2 曲线 bc 段. 直到 VG2K 为2倍氩原子的第一激发电位时, 电子在 G2K 空间有回音第二次非弹性碰撞 而失去能量,因此又形成第二次阳极电流 IA 的下降,如图 2.2 曲线 cd 段,以此类推, IA 随着 VG2K 的增加而呈周期性的变化.相邻两峰(或谷) ,对应的 VG2K 的值之差即为氩原子 的第一激发电位值.