夫兰克-赫兹实验

云南大学物理实验教学中心

实验报告

课程名称： 近代物理实验 学生姓名： 朱江醒 学号： 20051050148 物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业

指导教师： 葛茂茂

实验项目： 夫兰克-赫兹实验

实验时间： 2007年 12 月 2 日 8 时 30 分至12时 30 分 实验地点： 四合院 实验类型：教学(演示□ 验证□ 综合□ 设计□) 学生科研□

课外开放□ 测试□ 其它□

一．实验目的

1．了解夫兰克-赫兹实验的原理和方法，测定汞的第一激发电位，验证原子能级的存在； 2．练习使用微机控制的实验数据采集处理系统。

二．实验原理

根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的。对于不同的原子，这些轨道上的电子数分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的能量，能量最低的状态称为基态，能量较高的状态称为激发态，能量最低的激发态称第一激发态。当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，原子就处于受激状态。但是原子所处的能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个基本假设的制约：

(1) 定态假设。原子只能处在一些稳定状态中，其中每一状态具有一定的能量值

Ei(i 1,2,3, )，这些能量值是彼此分立、不连续的，称为能级。

(2) 频率定则。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，即从一个能级跃迁到另一个能级，就发射或吸收的一定频率的电磁辐射，电磁辐射的频率 由下式决定

Em En

h

(1)

式中，h为普朗克常数，1986年推荐值为h (6.6260755 0.0000040) 10 34J s。 原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或放出电磁辐射时，二是当原子与其他粒子发生碰撞而交换能量时。本实验就是利用具有一定能量的电子与汞或汞原子相碰撞而发生能量交换来实现原子状态的改变。 由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需的能量不能小于该原子从基态跃迁到第一激发态时所需的能量，这一能量称为临界能量。当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。这时，电子给予原子以跃迁到第一激发态时所需要的能量，其余的能量仍由电子保留。 一般情况下原子在激发态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。电磁辐射的频率 满足下式

h eU0 (2)

式中U0为原子的第一激发电位。所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。

夫兰克-赫兹实验的原理可用图1来说明，其核心是夫兰克-赫兹管(简称F-H管)，它是一个具有双栅极结构的柱面型充汞或汞等惰性气体的四极管。灯丝F通电后炽热，使旁热式阴极K受热而发射慢电子。第一栅极G1和阴极K之间的电位差由电源UG提供，有一个小正向电压，其作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。扫描电源Ua加在第二栅极G2和阴极K之间，建立一个加速电场，使得从阴极发

出的电子在Ua的加速下，以动能eUa穿过第二 图1 F-H实验原理图 栅极G2而飞向板极P。由于阴极K到栅极G2之间的距离比较大，在适当的汞或汞蒸气压下，这些电子与气体原子可以发生多次碰撞。电源UR在G2与板极P之间形成一个减速电场。在穿越G2的电子中，只有能量大于eUR的电子才能到达板极P而形成板极电流IP。

板极电流

其值大小反应了从阴极IP用微电流测试仪A测量，

达到板极的电子数。在保持UR和UG不变的情况下，改变加速电压Ua的大小，测出相应的板极电流IP，将得到如图2所示的IP~Ua特性曲线。

当加速电压Ua从零开始增大时，板极电流IP也随之增大，表示电子动能增加，到达板极的电子数目必随之增多。这说明电子在飞行途中尽管会与

管内的汞原子碰撞，但不损失能量，是弹性碰撞。 图2 充汞的F-H管的IP~Ua特性曲线 当Ua增大到汞原子的第一激发电位U0时，这 时在栅极G2附近的电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量传递给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能穿越减速电场到达板极，即到达板极的电子数目减少，所以IP开始下降。

继续增大Ua，板极电流IP又逐渐回升，这说明电子与汞原子碰撞后的剩余能量尚能使电子穿越减速电场而到达板极。当Ua增大到2U0时，IP又转为下降，说明电子与汞原子发生了第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到减速电场的阻挡而不能达到板极，电流IP再度下降。同样的道理，随着加速电压Ua的继续增大，电子会在栅极G2附近发生第三次、第四次、…非弹性碰撞，从而引起板极电流IP的相应下跌，形成具有规则起伏的IP~Ua曲线。可见，加速电压凡满足

Ua nU0(n 1,2,3, ) (3)

时，板极电流IP都会相应下跌，而与相邻两板极电流极大值(或极小值)所对应的加速电压的差值就是汞原子的第一激发电位U0，它的公认值为4.9V。

从IP~Ua特性曲线可见，板极电流IP并不是突然下降的，有一个变化过程，这是因为阴极发射出来的电子，它们的初始能量不是完全相同的 …… 此处隐藏：5377字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……