夫兰克-赫兹实验
【实验目的】
1、测量氩原子的第一激发电势,证明原子能级的存在,从而加深对量子化概念的认识。
2、加深对热电子发射的理解,学习将电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。
【历史背景】
1911年,卢瑟福根据α粒子散射实验,提出了原子核模型。1913年,玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型,建立了与经典理论相违背的两个重要概念:原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射,电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差,并满足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯(E.J.Evans)对光谱的研究,玻尔理论被确立。
1914年,德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立),简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在,并且实现了对原子的可控激发。
1925年,由于他二人的卓越贡献,他们获得了当年的诺贝尔物理学奖。夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以,在近代物理实验中,仍把它作为传统的经典实验。
【实验原理】
根据玻尔的原子理论,原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中,其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3‥),这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态,其它高能级所对应的态称为激发态。
当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就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,并满足普朗克频率选择定则:
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,当
时,即可实现跃迁。若原子吸收能量
。从基态跃迁到第一激发态,则称
为第一激发电位或中肯电位。


时,电子与氩原子只能发生弹性碰撞,由于电子质量比氩原子质量小得多,电子能量的损失很小。如果
,则电子与氩原子会产生非弹性碰撞,氩原子从电子获取能量ΔE,由基态跃迁到第一激发态,
。相应的电位差Vc即为氩原子的第一激发电位(或中肯电位)。
,当
时,即可实现跃迁。若原子吸收能量
。从基态跃迁到第一激发态,则称
为第一激发电位或中肯电位。


代表原子基态的能量,以
代表原子第一激发态的能量,则
。同一年,使用石英制作的充汞管,拍摄到与能量
;
是电子质量,
是原子质量,
是电子的碰撞前的速度,
是原子的碰撞前的速度,
是电子的碰撞后速度,
是原子的碰撞后速度,
为内能项。因为
,所以电子的动能可以转变为原子的内能。因为原子的内能是不连续的,所以电子的动能小于原子的第一激发态电位时,原子与电子发生弹性碰撞
;当电子的动能大于原子的第一激发态电位时,电子的动能转化为原子的内能
,
为原子的第一激发电位。
实验方法是,在充汞的F—H管中,电子由热阴极发出,阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。第一栅极对电子加速起缓冲作用,避免加速电压过高时将阴极损伤。在板极P和G2间加反向拒斥电压UpG2。当电子通过KG2空间,如果具有较大的能量(≥eUpG2)就能冲过反向拒斥电场而达到板极形成板流,被微电流计pA检测出来。如果电子在KG2空间因与汞原子碰撞,部分能量给了汞原子,使其激发,本身所剩能量太小,以致通过栅极后不足以克服拒斥电场而折回,通过电流计pA的电流就将显著减小。实验时,使栅极电压UG2K由零逐渐增加,观测pA表的板流指示。它反映了汞原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。当UG2K逐渐增加时,电子在加速过程中能量也逐渐增大,但电压在初升阶段,大部分电子达不到激发汞原子的动能,与汞原子只是发生弹性碰撞,基本上不损失能量,于是穿过栅极到达板极,形成的板流Ip随UG2K的增加而增大。当UG2K接近和达到汞原子的第一激发电位U0时,电子在栅极附近与汞原子相碰撞,使汞原子获得能量后从基态跃迁到第一激发态。碰撞使电子损失了大部分动能,即使穿过栅极,也会因不能克服反向拒斥电场而折回栅极。所以Ip显著减小,如曲线的ab段。当UG2K超过汞原子第一激发电位,电子在到达栅极以前就可能与汞原子发生非弹性碰撞,然后继续获得加速,到达栅极时积累起穿过拒斥电场的能量而到达板极,使电流回升。直到栅压UG2K接近二倍汞原子的第一激发电位(2U0)时,电子在KG2间又会因两次与汞原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥电场,使板流第二次下降。同理,凡 ( 3) 处,Ip都会下跌,形成规则起伏变化的Ip~UG2K曲线。而相邻两次板流Ip下降所对应的栅极电压之差,就是汞原子的第一激发电位U0。
南昌大学物理实验报告
(8-1)
的光子来实现,为此应有
(1)
(2)
具有确定的值,对应的U就应该有确定的大小。当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时,相应的U被称为第一激发电位(或中肯电位)。因此,第一激发电位就对应于第一激发态与基态的能量差。处于激发态的原子是不稳定的,它可能以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能级。
,目的在于控制管内电子流的大小以抵消阴极附近电子云形成的负电位的影响。第二栅极G2靠近极板A,其间加一减速电压,使得与原子发生非弹性碰撞、能量损失的电子达不到极板。G1和G2之间的距离较大,以保证电子与气体原子有足够高碰撞几率。
由如下关系决定:
= Em-En (1)
10-34J·S
