《大学物理》夫兰克赫兹实验

《大学物理》夫兰克赫兹实验
在玻尔提出原子结构的量子理论后，夫兰克（J•Frank）和赫兹(G•Hertz)于1814年在用慢电子轰击稀薄气体原子做原子电离电位测量时，通过测量方法的不断改进，使实验有了突破，偶尔地发现了原子的激发能态和量子化的吸收现象。

他们在测量中通过改变加速电压，使电子以不同的能量与原子碰撞，观察碰撞后电子能量的变化，以间接了解原子能量的变化，在对结果的分析中，发现了原子量子化吸收和原子的激发能态。

并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们获得了1925年的诺贝尔物理奖。

当时他们所测定的是汞原子的第一激发电位，后来（1920年）夫兰克和爱因西彭（Einsporn）又进一步对仪器进行改进，测量了原子较高的激发态电位。

赫兹也用类似的方法，测量了电子的电离电位。

这更加完善了玻尔对原子结构的量子理论证明。

一、实验目的：
1．学习夫兰克和赫兹研究原子能量量子化的基本思想和实验方法。

2.了解电子和原子弹性碰撞和非弹性碰撞的机理。

测量汞原子的第一激发态电位需要
高温条件，本实验是在室温条件下测量氩原子的第一激发态电位。

3.掌握用惠斯登电桥及开尔文电桥精测电阻的原理和使用方法。

二、实验仪器：
FH-ⅢA型夫兰克-赫兹实验仪。

三、实验原理
夫兰克-赫兹实验仪的核心为充氩气的四极管，其工作原理图如下：
图1 夫兰克-赫兹实验原理图
当灯丝（H）点燃后，阴极（K）被加热，阴极上的氧化层即有电子逾出（发射电子），为消除空间电荷对阴极散射电子的影响，要在第一栅极（G1）、阴极之间加上一电压U G1K（一栅、阴电压）。

如果此时在第二栅极（G2）、阴极间也加上一电压U G2K（二栅、阴电压），发射的电子在电场的作用下将被加速而取得越来越大的能量。

起始阶段，由于较低，电子的能量较小，即使在运动过程中与电子相碰撞（为弹性碰撞）只有微小的能量交换。

这样，穿过2栅的电子到达阳极（A）[也惯称板极]所形成的电流（I A）板流（习惯叫法，即阳极电流）将随2栅的电压U G2K的增加而增大，当U G2K达到氩原子的第一激发电位（11.53V）时，电子在2栅附近与氩原子相碰撞（此时产生非弹性碰撞）。

电子把加速电场获得的全部能量传递给了氩原子，使氩原子从基态激发到第一激发态，而电子本身由于把全部能量传递给了氩原子，它即使穿过2栅极，也不能克服反向拒斥电场而被折回2栅极。

所以板极电流I A将显著减小，以后随着二栅电压U G2K的增加，电子的能量也随着增加，与氩原子相碰撞后还留下足够的能量。

这又可以克服拒斥电场的作用力而到达阳极，这时I A又开始上升，直到U G2K是2倍氩原子的第一激发电位时，电子在G2和K之间又会因为第2次非弹性碰撞而失去能量，因而又造成第2次I A 的下降，这种能量转移随着U G2K增加而I A周期性变化，若以U G2K为横坐标，以I A 为纵坐标就可以得到一谱峰曲线，谱峰曲线两相邻峰尖（或谷点）间的U G2K电压差值，即为氩原子的第一激发电位值。

图2 谱峰曲线
从这个实验说明了夫兰克-赫兹管内的缓慢电子与氩原子相碰撞，使原子从低能级激发到高能级，并通过测量氩原子的激发电位值，说明了玻尔——原子能级的存在。

四、实验内容及实验步骤
手动测量
1．插上电源，打开电源开关。

2．将手动-自动档切换开关拨到“手动”，调节灯丝电压旋钮（V H）到4V，微电流倍增开关置于10¯档。

3．调节控制栅电压旋钮（V G1K），使电压表的读数为1.5V，即阴极到第一栅极电压U G1K 为1.5V。

4．调节阳极电压旋钮（V G2A），使电压表的读数为7.5V，即阳极到第二栅极电压U G2A（拒斥电压）为7.5V。

5．调节电压旋钮（V G2K），使电压表的读数为0V，即阴极到第二栅极电压U G2A（加速电压）为0V。

步骤（2～5）为实验前的准备步骤，灯丝电压U H（4V）控制栅电压U G1K（1.5V）阳极电压U G2A（7.5V）为用本仪器进行实验建议采用电压值，用户根据充氩气管上所标的参数做实验。

6．预热十分钟，此过程中可能各参数会有小的波动，请微调各旋钮到初设值。

7．旋转U G2K调节旋钮，同时观察阳极电流表和控制栅电压表的读数的变化，随着U G2K （加速电压）的增加，阳极电流表的值出现周期性峰值谷值，记录相应的电压、电流值，以输出阳极电流为纵坐标第二栅电压为横坐标，作出谱峰曲线。

注意事项：
1)实验开始前应检查所有电源的调节旋钮是否反时针旋到底，尤其必须将V G2K旋钮
反时针旋到底后，再开电源。

实验结束后应先把V G2K旋钮反时针旋到底后再将
其他电源的调节旋钮反时针旋到底后再关机。

2)实验中（手动测量）电压加到60V以后，增加U G2K时增加的速率应减缓同时注意
I A的变化，当电流表的指示骤然上升是应立即关机，以免引发管子击穿。

5分
钟后再按上述方法重新开机。

3)实验过程中如要改变V H、V G1K、V G2A时，必须将V G2K旋钮反时针旋到底后进行。

4)各台仪器的夫兰克-赫兹管参数有所差异，尤其是灯丝电压。

推荐使用参考电压，
选择若发现波形上端切顶，则阳极输出过大，引起失真，应减小灯丝电压V H。

五、数据记录和数据处理
选择合适的电流表档位，调节各个旋钮至推荐值。

表1 阳极电流和加速电压的关系，电流I P选择档位
根据表1数据绘制阳极电流和加速电压的关系图：
使用逐差法处理实验数据，并得到从基态跃迁到第一激发态所需的能量：
04152631
()(V)3
U U U U U U U =-+-+-=
0(V)U ∆=
=
1i i i x U U +=-；0x U =
标准形式：000(V)U U U =±∆=
六、思考题
1. 什么叫第一激发电位？其物理含义是什么？有没有第二激发电位，如果有怎么测？
2. 什么是能级？波尔的能级跃迁理论是如何描述的？
3. 管中还能充什么其他气体，为什么？。