PPT-弗兰克-赫兹实验

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。

实验原理——第一激发电位eU0=E2-E1

第一激发电位

hυ=E2-E1

元素 U0(V)

汞(Hg)钠(Na) 钾(K) 锂(Li) 镁(Mg)氖(Ne) 氩(Ar) 4.9 2.12 1.63 1.84 3.2 18.6 13.1

l(Å)

2537

5890 5896

7664 7699

6707.8

4571

6402.2

8115.3

实验原理——弗兰克赫兹实验UG2K=U3UG2K=U1 UG2K=U2 电子与原子第一 次碰撞，将eU0能 量传递给原子 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！

氩原子

弗兰克-赫兹实验线路原理图

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！

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， IA-UG2K曲线 电流IA增大！

第一激发电位与电流变化的关系

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。

U0 U0 U0 U0 U0

IA-UG2K曲线

电流显示

电压显示

电压显示 档位转换

电流显示 档位转换电压调节

增大减小 调节按钮

左右位置 选择按钮

实验内容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。

思考题 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 (UG2K>U0) 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UG2K>2U0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。