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弗兰克-赫兹实验 基础部-物理实验室 弗兰克-赫兹简介 海因里希?鲁道夫?赫兹，德国物理学家，于1888年首先证实了电磁波的存在，并对电磁学有很大贡献，故频率的国际单位制单位“赫兹”以他的名字命名。 弗兰克-赫兹实验简介 原子能级的存在最早是从光谱学的研究中推断出来的。1914年，弗兰克和赫兹采用慢电子和稀薄气体原子碰撞的方法，测得原子吸收或发射的能量是不连续的，从而证明了原子能级的存在，弗兰克和赫兹也由于这一杰出的贡献共同获得了1925年的诺贝尔物理学奖。 实验目的 通过测定（氩）原子的第一激发电位U0，证明玻尔原子能级的存在，了解原子能级的量子化结构。 了解夫兰克－赫兹实验的设计思想和实验方法。 实验原理——玻尔原子模型 玻尔关于原子理论的两个基本假设： 1）定态假设：原子只能较长久地停留在一些定态，原子在定态时不发射也不吸收能量，各定态的能量是不连续的值E1、E2、E3、…。 2）跃迁假设：原子从一个定态E2跃迁到另一个定态E1时，要辐射出一个光子，其频率是一定的，满足： hυ=E2-E1 实验原理——玻尔原子模型 一般情况下，原子的最外层电子都是处于基态的。 当原子受到外部能量的作用后，其最外层电子就会跃迁到高能级上，变为激发态原子，eU0=E2-E1 。 激发态原子极不稳定，在极短时间内就会重新跃迁回基态，并将其吸收的能量以光子形式释放出去,hυ=E2-E1 。每一种跃迁都会发射出一种波长的光，在光谱中相应的产生一种谱线。 元素 汞（Hg） 钠（Na） 钾（K） 锂（Li） 镁（Mg） 氖（Ne） 氩（Ar） U0（V） 4.9 2.12 1.63 1.84 3.2 18.6 13.1 l（?） 2537 5890 5896 7664 7699 6707.8 4571 6402.2 8115.3 第一激发电位 eU0=E2-E1 hυ=E2-E1 实验原理——第一激发电位 IA-UG2K曲线 弗兰克－赫兹实验线路原理图 氩原子 UG2K=U1 电子与原子第一次碰撞，将eU0能量传递给原子 UG2K=U2 UG2K=U3 E≤e?VG2A时：电子未能穿越板极A形成电流，栅极电流为零！ E≥e?VG2A时：电子穿越板极A形成电流，且随着VG2K的增大，能够穿越的电子数量越来越多，电流IA增大！ 与原子碰撞交出能量的电子数量增多，能量损失后未能穿越板极A，电流减小！ 与原子碰撞后剩余能量足以穿越板极A的电子数量增多，电流增大！ 实验原理——弗兰克赫兹实验 第一激发电位与电流变化的关系 IA-UG2K曲线 U0 U0 U0 U0 U0 原子第一激发电位等于相邻两个峰电流（或谷电流）对应的电压差。 电流显示 电流显示档位转换 电压显示 电压显示档位转换 电压调节 左右位置 选择按钮 增大减小 调节按钮 1、各旋钮逆时针旋至底，接通导线，检查无误后开机，预热5min。【电子逸出过程与热能有关，需要一定的稳定时间，故需预热！】 2、自动/手动测量： (1)“自动/手动”； (2)参数设置：参考机箱盖上提供数据； (3)“启动/增加VG2K 电压”； (4)查阅数据，记录谷底或峰尖对应 VG2K 电压，并计算第一激发电位U0。 3、按下“自动/手动”键，将数据清零。 实验内容 1、为什么相邻电流峰值对应的电压之差就是第一激光电位？ 答：当电子能量达到eUG2K (UG2KU0) 时，与所测原子（例如氩原子）碰撞从而失去eU0的能量，由于存在拒斥电压，电子将不能够穿越板极形成电流，电流下降形成第一个峰。当电子能量UG2K2U0时，电子在G2K之间又会因第二次非弹性碰撞而失去能量2eU0 ，于是出现第二个峰值。根据上述分析可知，能量转移随着加速电压的增加而呈现周期性的变化，所以电流峰值对应的电压差就是第一激发电位。 思考题 2、谷电流为什么不为零？ 答：由于电子在栅极G2附近跟氩原子发生碰撞存在一定的几率，总有一部分电子在栅极附近未与氩原子发生碰撞而直接到达A极形成电流，因此谷电流不等于零。 3、为什么随着UG2K的增加，IA的峰值越来越高？ 答：因为随着UG2K的增加，能够穿越A极的电子数量越来越多，电流IA越来越大。 思考题 4、为什么第一激发电位（~11.6V）不等于曲线第一个峰的电压（~22V）？ 答：a、拒斥电压的存在（~8V） b、F-H管的阴极K和栅极G2往往由不同的金属材料制作，因此会产生接触电势差，使电子实际的加速电压不等于UG2K，这将影响F-H实验曲线第一个峰的位置。 5、为什么曲线的峰值是缓慢过渡的，而不是瞬间达到的？ 分析原因：灯丝发射电子的初动能并不是完全确定的一个值，而是满足一个正态分