夫兰克-赫兹实验现象的理论分析解析文档.pdf

维普资讯 第 21卷第 3期 佛山科学技术学院学报 (自然科学版) VO1．21No．3 2003年 9月 JournalofFoshanUniversity(NaturalScienceEdition) Sep．2003 文章编号：1008—0171(2003)03—0017-04 夫兰克一赫兹实验现象的理论分析 李 斌 ，赵维义h，谭 鹏 (1．佛山科学技术学院 物理系，广东佛山，528000；2．华中科技大学 物理系，湖北 武汉，430074) 摘要：介绍了夫兰克一赫兹实验中炉温、灯丝电压等对 IA- 曲线的影响，得出了这些因素变化时的实验 曲线变 化规律 ，解析了产生这些现象的原因，并总结了减小测量误差的一些方法 。 关键词：夫兰克一赫兹实验 {炉温；灯丝 电压 中图分类号 ：04—33 文献标识码 ：A 1914年 ，夫兰克和赫兹在研究充汞放 电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸气 的电子流随电子的 能量的变化显现出周期性的变化 ，同年又拍摄到汞发射光谱的253．7nm谱线 。1920年，夫兰克及其合 作者对原先的装置做 了改进 ，测得了亚稳能级各较高的激发能级，进一步证实了原子内部能量是量子化 的，从而确证 了原子能级的存在 [】]。现在各高校开设的夫兰克一赫兹实验正是利用这一原理来让学生进 一 步加深对能量量子化的理解 ，并了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像 ，以及影响这个过程 的主要物理因素。但 由于实验因素的复杂性，在实验过程中至今仍有许多实验现象未能得到很好的解 释。本文就在指导学生做该实验中出现的几个现象进行理论分析与探讨 。 1 实验原理 夫兰克一赫兹实验 的装置原理图如图 1所示L1]。在图 1中，夫兰克一赫兹管 中充 以被测气体 (如汞蒸 气 、氖气 、氩气等)，由于热阴极 K发射电子 ，在阴极K与栅极 之间加反向拒斥电压 ，电子在加速的过 程中与被测气体原子发生碰撞 ，当加速电压值较小时，电子与原子只能发生弹性碰撞 ，当电压值超过或 达到气体原子的第一激发电位时，电子与原子发生非弹性碰撞 ，电子碰撞后将动能部分或全部传递给被 测气体 ，使其跃迁到第一激发态 ，而电子本身所剩能量就可能很小 ，以致通过栅极后不足以克服拒斥电 场 ，达不到板极 A，因而电流计 中的电流就要显著降低 ，由于原子 内部能量是量子化的，这样得到板的极 电流 ，会随GK之间加速 电压 cx变化而呈现规律性 的变化 ，如图2所示。通过对 IA- 曲线的分析 就可 以测 出被测气体的第一激发电位 ，从而证实 了原子 内部能量是量子化的。 G U 2U 3U 图 1 夫兰克一赫兹实验原理 图 图 2 由夫兰克-赫兹实验得到 的IA-Ve 曲线 收稿 日期 ：2003—02—26 作者简介：李 斌 (1973一)．女，湖南益阳人，佛山科学技术学院助理实验师，主要从事近代物理实验教学与研究。 维普资讯 18 佛 山科学技术学院学报 (自然科学版) 第 21卷 2 实验现象及其理论探讨 以汞气为被测气体，采用佛 山科学技术学院物理系研制的智能夫兰克一赫兹实验测量仪和 FH一1型 夫兰克一赫兹实验装置 ，通过改变炉温和灯丝电压等 因素，结果会出现下面一些现象。 2、1 峰间距逐渐增大 从理论上看，汞蒸气的第一激发电位 应为一定值，即在 一 c曲线上峰间距应为一定值，如图 2所示 ，但在实验 中却发现峰间距会逐渐增大。 表 1是用智能夫兰克一赫兹实验测量仪的 “自动”档测得的一组实验数据 (灯丝电压为 4V，炉温为 140℃，反 向拒斥 电压 VG一一1．5V)。 表1 不同峰位时的峰间距 当适当改变炉温或改变灯丝电压测量 汞的第一激发 电位时，发现所有 的结果 中 都会出现峰间距逐渐增大的现