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夫兰克 — 赫兹实验

夫兰克 — 赫兹实验. 夫兰克 — 赫兹实验是近代物理量子力学方面的重要实验之一． 近代物理的标志是量子理论，而量子理论的实验基础是原子光谱和各类碰撞研究．本实验就是验证原子电离的分立电位，证明原子能级的分立性，验证了量子力学的基本原理．. 1 实验目的. 通过对相应电压和微电流的测量，得出氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在 . 学习原子激发的基本过程，加深对原子能级结构的理解； 加深对电子与原子间碰撞的微观过程和实验宏观现象的相互关系的理解； 体会设计新实验的物理构思和设计技巧．. 2 学史背景. 原子的有核模型.

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夫兰克 — 赫兹实验

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Presentation Transcript

  1. 夫兰克—赫兹实验

  2. 夫兰克—赫兹实验是近代物理量子力学方面的重要实验之一． • 近代物理的标志是量子理论，而量子理论的实验基础是原子光谱和各类碰撞研究．本实验就是验证原子电离的分立电位，证明原子能级的分立性，验证了量子力学的基本原理．

  3. 1 实验目的 • 通过对相应电压和微电流的测量，得出氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在. • 学习原子激发的基本过程，加深对原子能级结构的理解； • 加深对电子与原子间碰撞的微观过程和实验宏观现象的相互关系的理解； • 体会设计新实验的物理构思和设计技巧．

  4. 2 学史背景 • 原子的有核模型 19世纪，根据气体导电、热电子发射等许多实验事实确认，原子是一个复杂的带电系统．带负电的电子和带正电的物质是如何构成原子是20世纪初期物理学的一个课题．在实验中，研究原子的一种方法是：利用高能粒子与原子碰撞，观察与分析所发生的一些现象，由此可以探索原子内部的结构． 卢瑟福于1911年提出了原子的有核模型

  5. 2 学史背景 • 原子有核模型与经典电磁理论的矛盾 • 按经典电磁理论，电子绕核转动具有加速度，要向周围空间辐射电磁波，频率等于电子绕核旋转的频率，随着不断地向外辐射能量，电子运动的轨道半径也越来越小，绕核旋转的频率连续增大，辐射的电磁波频率也在连续地变化，因而所呈现的光谱应为连续光谱． 实验表明：氢原子所发出的光谱为线状光谱． • 由于电子绕核运动时不断向外辐射电磁波，电子能量不断减少，电子将逐渐接近原子核，最后落于核上．原子应是一个不稳定系统． 实验事实是：原子具有高度的稳定性，即使受到外界干扰，也很不易改变原子的属性．

  6. 2 学史背景 • 玻尔的基本假设 • 轨道角动量量子化假设 在原子内，电子绕核作圆周运动的所有轨道中，只有电子的角动量等于h/2π的整数倍的那些轨道上，运动才是稳定的； • 定态假设 电子在上述假设所允许的任一轨道上运动时，虽有加速度，但并不辐射电磁能量．原子处于稳定的运动状态(称为定态)，并具有一定的能量E1， E2， E3， E4…… • 跃迁假设(频率条件) 1913年，玻尔在卢瑟福原子核模型的基础上，将普朗克的量子概念及爱因斯坦的光子概念引用到原子系统，提出了关于原子模型的三条基本假设，满意地解释了氢原子光谱的规律性，为量子理论的建立奠定了基础，为此玻尔获得了1922年的诺贝尔物理学奖．

  7. 2 学史背景 1914年，夫兰克和赫兹同样采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化．在Hg蒸气的情况下，每隔4.9V 电位差，集电极电流都要实降一次．F、H认为4.9V 电位差引起了Hg原子的电离，其实Bohr在1915年对F-H实验结果已经作出了基本正确的解释，指出4.9V 正是他的能级理论中第一激发电位．直到1919年，F、H才表示同意玻尔的观点． F-H实验在原子物理中占有相当重要的地位，它采用了与光谱研究相独立的方法，从另一角度证实了原子体系量子态的存在，并且实现了对原子的可控激发．实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术． F、H获得了1925年的诺贝尔物理学奖．

  8. JAMES FRANCK（夫兰克）GVSTAV HERTZ（赫兹） 2 学史背景

  9. 3 实验原理 实验设计思想

  10. 放出能量 吸收能量 3 实验原理 玻尔理论 　　原子只能较长久地停留定态上，其能量不可能连续变化而只能是突变，即“跃迁”．跃迁时吸收或放出能量． 通过具有一定频率ν的光子来使原子从底能级跃迁到高能级 eV1=E1-E0 以电量为e电子，在电位差V1的加速电 场作用下，来使原子从基态能E．跃迁到 第一激发态能量E1 电子的能量从电场中加速而获得

  11. 当电子的加速电压V<原子第一激发电位V1 电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换． 为“弹性碰撞” 电子碰撞前后速度不变 3 实验原理 • 电子与原子的碰撞可分为弹性和非弹性碰撞两类． • 弹性碰撞时，电子动能损耗极小，近似以原速率反向运动，系统动能守恒． • 非弹性碰撞时，电子损耗大量能量，速率明显减小．系统的动能损耗被原子吸收，此时原子将由低能级向高能级跃迁．

  12. 当电子的加速电压V≥原子第一激发电位V1 电子与原子碰撞发生动能与内能的交换 为“非弹性碰撞” 电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子 3 实验原理

  13. 图中VF用于加热灯丝。栅极G很靠近于阳极P，K-G之间有较大的空间距离。在阴极K与栅极G之间加可调的加速电压VG2，热电子从阴极出发经过K-G之间的电场逐渐加速并与原子碰撞。电子在电势差为V的电场中获得的动能为eV，当电子的动能大于等于原子的第一激发态的能量即eV≥eV1，这时电子将自身动能的一部分转换为原子的内能，使氩原子由基态跃迁到第一激发态，整个体系的动能因此而损失。这一过程发生的是非弹性碰撞。此后电子在电场的作用下重新加速获得动能，直到电子的动能重新等于原子的第一激发态的能量，将会又一次与气体原子发生非弹性碰撞。图中VF用于加热灯丝。栅极G很靠近于阳极P，K-G之间有较大的空间距离。在阴极K与栅极G之间加可调的加速电压VG2，热电子从阴极出发经过K-G之间的电场逐渐加速并与原子碰撞。电子在电势差为V的电场中获得的动能为eV，当电子的动能大于等于原子的第一激发态的能量即eV≥eV1，这时电子将自身动能的一部分转换为原子的内能，使氩原子由基态跃迁到第一激发态，整个体系的动能因此而损失。这一过程发生的是非弹性碰撞。此后电子在电场的作用下重新加速获得动能，直到电子的动能重新等于原子的第一激发态的能量，将会又一次与气体原子发生非弹性碰撞。 3 实验原理

  14. 在G-P间加一个不太高的减速电压VP，电子穿过栅极G后受到G-P减速电场的作用，只有动能大于eVP的电子才能到达阳极P形成阳极电流Ip。由此，我们可以得到如图所示IP-VG2的曲线。在G-P间加一个不太高的减速电压VP，电子穿过栅极G后受到G-P减速电场的作用，只有动能大于eVP的电子才能到达阳极P形成阳极电流Ip。由此，我们可以得到如图所示IP-VG2的曲线。 3 实验原理

  15. 也可以在三极的F-H管的阴极附近加一控制栅极改为四极管，如图。图中G1为控制栅极，其作用是加一个正向电压VG1，用以消除电子在阴极附近的堆积效应，并起到控制电子流大小的作用。VG1的大小一般取在1-2伏。也可以在三极的F-H管的阴极附近加一控制栅极改为四极管，如图。图中G1为控制栅极，其作用是加一个正向电压VG1，用以消除电子在阴极附近的堆积效应，并起到控制电子流大小的作用。VG1的大小一般取在1-2伏。 3 实验原理

  16. VG1 VG2 VP K G1 G2 μA P VF F IP V VG2 VP VG1 X K G1 G2 P 3 实验原理

  17. V1 V1 V1 V1 V1 3 实验原理 G2 K P IP VG2 V1:原子的第一激发电势(电位)

  18. 4 实验装置

  19. 4 实验装置 电压显示 IP显示 IP放大选择 VG2输出 IP输出 VP调节 VF调节 电压 显示 选择 电源开关 VG1调节 自动/手动 快速/慢速 VG2调节

  20. 5 实验内容 • 用示波器观察IP-VG2关系曲线 • 熟悉实验装置.将VF、VG1、VG2、VP旋钮都调到最小，接通电源开关，电压指示波段开关依次调至VF、VG1、VG2、VP挡,分别调节VF、VG1、VP电压至生产厂家标定数值（标在主机上部）. 把电流增益波段开关拨至“10nA”挡. • 分别用Q9线将主机正面板上“VG2输出”和“IP输出”与示波器上的“ CH1ORX”和“CH1ORY”相连，将电源线插在主机后面板的插孔内，打开电源开关；

  21. 5 实验内容 • 打开示波器的电源开关，并分别将“x ”、“y ”电压调节旋钮调至“1V ”和“2V ”，调至“x-y ”档，“交直流 ”全部打到“DC ”档； • 将VG2调节至最大，此时在示波器上可以观察到稳定的氩的IP-VG2曲线；

  22. 5 实验内容 • 手动测量氩原子第一激发电位 • 把扫描开关调至“手动”挡, 调节VG2 至最小，然后逐渐增大其值（从10～85V），测量对应的IP值以及相应的VG2值，每隔1V 记录一组数据. 为了得到波峰的准确位置，在IP 值的极大值附近数据间隔可适当取密一些（注：记录数据时，IP电流值应为表头示值乘以电流增益波段开关选择的挡位，如表头显示“3.23”，电流增益波段开关选择“10nA”挡，那么 实际测量电流值应该为“32:3nA”；而VG2实际测量值应该为：表头示值×10V ，如表头显示“6.35”，那么实际电压值应为“63:5V ”）． • 列出表格，作出氩的IP- VG2关系曲线图．

  23. 数据记录 VF=; VG1=; VP=; 6 数据记录与处理

  24. 6 数据记录与处理 • 数据处理 • 逐差法处理数据

  25. 6 数据记录与处理 • 作图法处理数据

  26. 7 注意事项 • 开关电源前应将调节电位器左旋至零. • 调节VG2和VF 时应注意，VG2和UF时过大会导致管内氩原子电离，此时管内电流会自发增大以至烧毁管子，所以一旦发现Ip出现负值或者超过10μA的正值时，应迅速关机，5min后再重新开机做实验. • 实验中（手动档）电压加60V 以后，要注意电流输出指示，当电流表指示突然骤增，应立即减小电压，以免管子被击穿损坏。 • 实验过程中如要改变第一栅极与阴极、第二栅极与阳极之间的电压及灯丝电压时，应将“0 - 100V ”旋扭逆时针旋到底，再改变以上的电压值。

  27. 8 思考题 • IP- VG2曲线形成的物理过程是什么？为什么曲线峰值越来越高？ • IP- VG2曲线中的第一个峰值对应的横坐标电压值，是否就是氩原子的第一激发电压？请说明原因。 • 为什么夫兰克-赫兹管的栅极和板极之间要加反向拒斥电压?拒斥电压VP对IP如何影响？ • 为什么IP- VG2曲线峰值越来越高？ • 灯丝电压的改变对F—H实验有何影响？对第一激发电位有何影响？ • F—H实验是如何观测到原子能级变化的?

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