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近代物理实验 28

近代物理实验 28. 夫兰克 - 赫兹实验.  理论基础.  历史背景及意义.  实验原理.  实验装置.  注意事项.  实验内容及操作步骤.  数据处理.  思考与讨论. 历史背景及意义.

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近代物理实验 28

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  1. 近代物理实验28 夫兰克-赫兹实验 理论基础 历史背景及意义 实验原理 实验装置 注意事项 实验内容及操作步骤 数据处理 思考与讨论

  2. 历史背景及意义 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。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在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，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。

  3. 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（1926年于德国洛丁根补发）。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。 (GUSTAV HERTZ) (JAMES FRANCK)

  4. 理论基础 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： (h为普朗克常数) 本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则： (Ｖ为激发电位)

  5. 实验装置 氩管夫兰克—赫兹管 特点：采用充氩夫兰克--赫兹管，比以前使用充汞管方式有了重大改进，去掉了较为落后的灯管加热炉装置，即便于操作，又避免了由于温度控制不精确而对实验造成的误差、以及汞蒸气对人体及环境的污染。

  6. 夫兰克—赫兹管结构图 V 灯丝 K VG1K VG2K G1 电子 氩原子 G2 VG2A μA A 实验原理 充氩夫兰克-赫兹管的基本结构见右图。电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A。 注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏的电压，用于消除阴极电子散射的影响。

  7. IA (nA) e c a d b o o V1 V2 V3 V4 V5 V6 VG2K 图2-2-4 夫兰克—赫兹管的IA～VG2K曲线 设氩原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零的电子在电位差为V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eV<E1-E0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，电子能量损失很少。如果eV≥E1-E0=ΔE，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞，氩原子从电子中取得能量ΔE，而由基态跃迁到第一激发态，ΔE=eVC。相应的电位差VC即为氖原子的第一激发电位。 在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下图所示的变化曲线.

  8. 实验内容及操作步骤 实验内容用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一激发电位，并做比较。分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F—H实验曲线的影响。了解计算机数据采集、数据处理的方法。 操作步骤 正确认识电路连接及原理； 启动预热；（注：预热开始，就必须设定好以下几个值：V灯、VG1K、VG2A，根据仪器给定参数设定，VG2K=30v） 正式测量；手动测试；联机测试。

  9. 注意事项 不许拔下仪器前面板上的导线，进行违规连接，以免发生短路，损坏仪器。在设定各电压值时，必须在给定的量程或范围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏仪器或不能准确显示。

  10. 数据处理 根据手调“栅压调节”做出的IA-----VG2K曲线和计算机显示所显示的曲线，求出各峰所对应的电压值，用逐差法求出氩原子第一激发电位，并与公认值VC0=11.5V伏比较，求出测量误差。

  11. 数据处理示意图 IA V1 V2 V3 V4 V5 UGK 0 V2-V1 V3-V1 V4-V1 V5-V1

  12. 思考与讨论 1、能否用氢气代替氩气？为什么? 2、为什么I-U曲线不是从原点开始? 3、为什么 I不会降到零? 4、为什么I的下降不是陡然的? 5、在F-H实验中，得到的I-U曲线为什么呈周期性变化？ 6、在F-H管内为什么要在板极和栅极之间加反向拒斥 电压？ 7、在F-H管的I-U曲线上第一个峰的位置，是否对应于 氩原子的第一激发电位？

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