实验报告-夫兰克-赫兹实验[1]

成都信息工程学院 物理实验报告

姓名： 石朝阳 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2011-9-15下午一段 实验教室： 5102 指导教师： 【实验名称】 夫兰克-赫兹实验 【实验目的】

1．掌握夫兰克-赫兹实验的原理和方法，理解该实验的物理构思和设计技巧。 2．测量氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。 3．研究原子能级的量子特性，观察其特殊的伏安特性现象。 【实验仪器】

1．夫兰克-赫兹实验仪 仪器型号 ZKY-HZ-2 资产编号20032133 2．示波器 编号[1**********] 【实验原理】

一、玻尔提出的原子理论指出：

（1）原子只能较长久地停留在一些稳定状态（简称为定态），原子在这些状态时，不发射或吸收能量，各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量无论通过什么方式发生改变，它只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。

（2）当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，会产生能量的变化。若原子吸收能量，则电子从低能级跃迁到高能级；而当电子从高能级跃迁到低能级时，要发射频率为的光子，且

hEiEf （1）

式中：普朗克常量h6.6310（3）电子的角动量满足L

34

JS（焦尔秒）

mvrn（量子化条件）。

原子从低能级向高能级的跃迁，可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。

设初速度为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量eU0。当具有eU0能量的电子与稀薄气体的原子（本实验是氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。如果被碰撞原子获得从电子传递来的能量恰好为

eU0E2E1 （2）

式中E1为被碰撞原子的基态能量。E2为被碰撞原子的第一激发态的能量。则被碰撞原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电位差U0被称为原子的第一激发电位。测出这个电位差U0，就可以根据（2）式求出被碰撞原子的基态和第一激发态之间的能量差了。

一般情况下，原子在受激状态（如第一激发态）所处的时间不会太长，就自动回到基态，并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其辐射频率或波长由下式确定

heU0 （3）

二、夫兰克-赫兹实验的原理

在充氩的夫兰克-赫兹管中，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之间设置反向拒斥电压VG2A，管内空间电位分布如图一所示：其中：（1）第一栅极G1和阴极K之间的加速电压VG1K约1.5伏的电压，主要用于消除阴极电子散射的影响。（2）各电压值大小遵守仪器说明，否则可能损坏管子。

图1 夫兰克-赫兹实验原理图

图2 夫兰克-赫兹管的IA～VGK曲线

当灯丝加热时，阴极的外层即发射电子，电子在G1和G2间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但在起始阶段，由于电压VG2K较低，电子的能量较小，即使在运动过程中，它与原子相碰撞（为弹性碰撞）也只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的电流IA随第二栅极电压VG2K的增加而增大（见图二oa段）。

当VG2K达到氩原子的第一激发电位时,电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。电子把从加速电场中获得的能量传递给氩原子,使氩原子从基态激发到第一激发态,而电子本身由于把能量传递给了氩原子,它即使能穿过第二栅极,也不能克服反向拒斥电压而被折回第二栅极。所以板极电流IA将显著减小(如图二ab段)。氩原子在第一激发态不稳定，会跃迁回基态，同时以光量子形式向外辐射能量。随着第二栅极电压VG2K的增加,电子的能量(在管内相同位置)也随之增加,与氩原子产生非弹性碰撞传递能量的位置从第二栅极附近向管子中间靠近，传递能量后的电子在VG2K的作用下继续增加能量，若有足够的能量就可以克服拒斥电压的作用力而到达板极A,这时电流又开始上升(如图二bc段),直到VG2K是2倍氩原子的第一激发电位时,电子在G2附近又会产生第二次非弹性碰撞而失去能量,因而又造成了第二次板极电流IA的下降(如图二cd段),这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。这个实验说明了夫兰克---赫兹管内的电子与氩原子碰撞的能量转换关系,说明原子能级的存在。

若以VG2K为横坐标,以板极电流值IA为纵坐标就可以得到谱峰曲线,两相邻谷点(或峰尖)间的加速电压差值,即为氩原子的第一激发电位值U0。

原子的第一激发电位还可以通过光谱分析测量原子从第一激发态跃迁回基态时光量子向外辐射能量的波

长而得到。 【实验内容】

熟悉夫兰克－赫兹实验仪的使用，要求在预习阶段认真阅读仪器介绍，操作过程中再仔细了解仪器并正确使用。

1．参照说明书提供的连线图连接好夫兰克-赫兹管的各组工作电源。 2．打开电源,工作方式选择自动。 3．预热条件:

〈1〉电流量程、灯丝电压、VG1K电压、VG2A电压设置参数见仪器机箱上盖的标牌参数。 〈2〉将VG2K设置为85V。

〈3〉预热10分钟左右,然后再做相应的实验。

4. 使用自动测试在示波器上显示最佳IAVG2K曲线。自动测试过程正常结束后进行数据查询，记录所有的IAVG2K对应值。

5. 在坐标纸上作出IAVG2K曲线。利用曲线找出IA波峰（或波谷）对应的VG2K。利用逐差法求出氩原子的第一激发电位，并与公认值11.5V进行比较求百分差。 【注意事项】

夫兰克-赫兹管的各组工作电源不能接错，大小不能加错。 【数据记录】

灯丝

3.2V VG1K=1.5V VG2A7V VG2K82V

【数据处理】 作图

1.波峰位置的电压

U120.4 U230.8 U341.8 U453.2 U565.0 U677.0

2.计算氩原子的第一激发电位

U4U1U5U2U6U3



10.911.411.7U11.36V

33

5.百分差

U理11.5VA

U理U

100%1.2%U理

【实验结果】

U11.36V



A1.2%

【问题讨论】

1. 电子和原子的碰撞在什么情况下是弹性碰撞？什么情况下是非弹性碰撞？

答：当电子在VG2K电压的作用下所带的能量还不能使得氩原子从基态跃迁到第一激发态的时候，电子和原子的碰撞只是弹性碰撞，基本不发生能量交换，而当电子在VG2K电压作用后的能量能够使氩原子从基态跃迁到第一激发态的时候，电子就会把能量传递给氩原子，这个时候的碰撞为非弹性碰撞。