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Franck-Hertz实验的物理过程

物理论文

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论文导读:：通过对Franck-Hertz实验中的电子能量分布及其动态变化的分析，对Franck-Hertz曲线的规律性波动现象作出了直观的解释。对充汞Franck-Hertz管，考虑了电子的额外加速程、汞原子的多能级共同激发以及电子与汞原子非弹性碰撞后电子具有剩余能量等因素，对Franck-Hertz实验的物理过程有了更全面的了解，并对Franck-Hertz曲线峰间距随加速电压增大而持续变大的现象作出了解释。

关键词：Franck-Hertz实验

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I、引言：

Franck-Hertz实验是一个经典的近代物理实验，历史上它作为原子内部能量量子化的有效证明而闻名于世。Franck和Hertz也因此获得了1925年的诺贝尔物理学奖。直到现在，Franck-Hertz实验仍然是一个必不可少的大学物理实验乃至近代物理实验。由于对实验装置的不断改进和计算机数据采集技术的应用，这个实验的操作显得并不困难。因此，如果仅仅是把实验定位在复制“标准”的实验结果，或者仅仅满足于通过改变各个实验参量，从现象上来观察Franck-Hertz曲线的变化规律，作为近代物理实验就失去了它的意义。

事实上，这个实验还有进一步改进和提高的空间。首先，似乎还没有人对Franck-Hertz管中发生的物理过程以及Franck-Hertz曲线来源问题提出过一个比较直观、又被广泛接受的描述。因此很多同学在初次接触这个实验的时候，只是按部就班地操作、记录现象，并没有对整个实验的物理过程有一个直观的了解和把握。而实验者如果没有这样一个整体把握，那么对各种实验现象的解释就很难深入。第二，在Franck-Hertz实验中还有一些现象有待进一步的讨论和解释，比如，Franck-Hertz曲线的峰间距随着加速电压的增加而持续增大这个现象是被普遍观察和注意到的。但是由于不明白其中的物理原因物理论文物理论文，在处理实验数据的时候，实验者往往选择取平均值的方法得到结果。甚至为了得到预期的“好”结果，会努力去调整实验参数以便使得到的平均值能够尽量接近4.9eV（如果是用充汞蒸气的Franck-Hertz管做实验，这是汞原子63P1态的激发能）。要改变这种状况，就要对这些现象背后的物理实质深入探讨。如果在实验过程中能够穿插类似思考的话，这个实验的价值就会大大提高。我们的研究就是在这样的问题意识的引导下开展的。本文的最终目的就是要研究Franck-Hertz实验的实际物理过程，并解释峰间距的变化问题。当然作为一个重要环节，我们首先将提供对这个实验物理过程的直观描述。

关于峰间距变大的问题，G.Rapior等人已经做过相应的研究[1]。我们知道，电子在Franck-Hertz管中得到加速，在其能量还不能激发汞原子的电子跃迁时，它和汞原子的碰撞是弹性碰撞。在弹性碰撞过程中电子的能量损失可以忽略不计。当电子的能量达到汞原子的最低激发能之后，发生非弹性碰撞，汞原子的激发才有可能。他们注意到电子在达到这个临界能量的时候并不一定马上能与汞原子发生非弹性碰撞而激发汞原子，因此会有一个额外的加速过程（他们称与此相应的额外加速路程为“平均自由程”）。在这个额外的加速过程中，电子最终得到的能量可能大大高于第一激发态（63P0）的能量，而能激发其它激发态（如63P1，63P2等），但是不管发生哪种激发，他们认为电子经过非弹性碰撞后，其动能全部转移。于是碰撞后的电子又从能量接近于零的状态开始新一轮的加速。再者，加速电压增大的过程中，电子在这段额外的加速过程中积累的能量逐渐增大。于是电子发生非弹性碰撞时相应地就会损失更多的能量。基于这些考虑，他们建立了自己的模型，对峰间距增大问题做出了他们的解释。

我们认为，首先这段额外的加速过程是存在的，因为不能保证电子一旦加速到汞原子第一激发态的能量就立刻能与汞原子发生非弹性碰撞而激发汞原子；其次，我们认为电子在与汞原子发生非弹性碰撞后，其能量并不能完全转移，而只是转移相应激发态的能量，也就是说，碰撞后的电子还有剩余能量；第三物理论文物理论文，对汞原子各能级的激发的影响应当分别考虑（在我们的实验条件下，主要考虑较低的三个激发态，即63P0，63P1和63P2。而不考虑有其它高激发态参与的情况）。基于这几点考虑，我们得到了对Franck-Hertz管中的物理过程的全面认识，并成功地解释了Franck-Hertz曲线的峰间距增大现象。

II、实验装置和原理

实验中我们所用的是复旦双栅柱面型四极式充汞Franck-Hertz管。它由阴极K，栅极G1、G2和收集极P组成。栅极G1、G2由钼丝绕制，G1表面镀金。各极间的距离分别约为0.3mm（G1K）、5mm（G1G2）和1mm（G2P）。图1是实验原理图和复旦F