夫兰克-赫兹实验(Ar管)

3 夫兰克——赫兹实验

1913年玻尔模型提出后，成功地解释了氢光谱，从而解开了近三十年之久的巴尔末公式之谜，以及对类氢离子光谱的成功解释。当这一消息传到爱因斯坦那里时，他也心悦城服并称玻尔的理论是一个“伟大的发现”。但任何一个重要的物理模型要上升为理论必须得到两种独立的实验方法的验证。夫兰克和赫兹在玻尔理论发表后不久，就用了一种独立于光谱研究的方法直接验证了玻尔理论，正是这个实验使我们感受到了原子内部这个迄今为止人类无法看到的美妙世界的跃动。1925年夫兰克和赫兹共同分享了诺贝尔物理学奖。

通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，学习和体验夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的实验思想和实验方法。

【实验目的】

1、了解夫兰克——赫兹实验的原理和方法。

2、测定氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在，研究原子内部能量的量子化。

【实验原理】

根据玻尔理论原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子，当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能跃迁到高能级（激发）如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有：

012e 1E E v m 2

1eV -== 电子在电场中获得的动能和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态,V 1称为原子第一激发电势（位）。

本次实验测定氩原子的第一激发能,其标准值约为11.4eV ，

因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值。于四极式的F-H 碰撞

管，实验线路连接如图（1）所示。

图中：V F 为灯丝加热电压，V G1K 为正向小电压，V G2K 为加速电压，

V G2P 为减速电压。

F-H 管中的电位分布如图（2）所示。

图（2）电子由阴极发出经电场V G2K 加速趋向阳极，只要

电子能量达到克服减速电场V G2P 就能穿过栅极G 2到达板极P 形

成电子流I P 。由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原

子发生碰撞。如果，电子能量小于第激发能eV 1，它们之间的

碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒定理不

难推出电子损失的能量极小，电子能如期地到达阳极；如果电

子能量达到或超过eV 1,电子与原子将发生非弹性碰撞，电子把

能量eV 1传给气体原子，要是非弹性碰撞发生在G 2栅极附近，

损失了能量的电子将无法克服减速场V G2P 到达板极。

这样，从阴极发出的电子随着V G2K 从零开始增加板极上将有电流出现并增加，如果加速到G 2栅极的电图（1） 图（2）

3 子获得等于或大于eV 1的能量将出现非弹性碰撞而出现I P 的第一次下降，随着V G2K 增加，电子与原子发生非弹性碰撞的区域向阴极方向移动，经碰撞损失能量的电子在趋向阳极的路途中又得到加速而开始有足够的能量克服V G2P 减速电压到达板极形成电流。I P 随V G2K 增加又开始增加，而如果V G2K 的增加使那些经历过非弹性碰撞的电子能量又达到eV 1则电子又将与原子发生非弹性碰撞造成I P 的又一次下降。在V G2K 较高的情况下，电子在趋向阳极的路途中将与原子发生多次非弹性碰撞。每当V G2K 造成的最后一次非弹性碰撞区落在G 2栅极附近就会使I P ～V

G2K 曲线出现下降，如此反复将出现如图（3）的曲线

图 （3） 图（3）曲线的极大极小出现呈现明显的规律性，它是能量选择性吸收的结果，也是原子能量量子化的体现，就图（3）的规律来说，每相邻极大或极小值之间的电位差为第一激发电势（位）。

【实验内容】

Ar 原子第一激发电位的测量。

实验测定夫兰克—赫兹实验管的I P ～V G2K 曲线，观察原子能量量子化情况，并由此求出Ar 充气管中原子的第一激发电位

1、按图四连接电路

2、加热控温部分

充氩F-H 管不需要加热。

3、其它部分

图（4）

实验仪器的整体连线可见图（4）（适合于第一激发电位的测量）

（1）接线时暂不接通两台仪器电源。

（2）将电源部分的“V F ”调节电位器、扫描电源部分的“手动调节” 电位器旋到最小（逆时针方向）；扫描选择置“手动”挡；极性选择置（－）挡；微电流放大器量程对充氩管可置10-7或10-8A 挡。

（3）据提供的F-H 管参考工作电压数据，分别调节好

V F ，V G1k 、V G2p ，预热3分钟（要求记录这

些工作电压）。

（4）手动工作方式粗测：缓慢调节“手动调节”电位器，增大加速电压；并注意观察微电流放大器指示，在电流表上应可观察到峰谷信号。

a)手动工作方式测量数据：缓慢调节“手动调节”电位器；加速电压每增加1V或2V，记录一次电流值。加速电压对充氩管最大增加到70V为止。

b) 对充汞氩管,加速电压达到60—70V时,约有5个峰出现。

四、【注意事项】

（1）在测量过程中，当加速电压加到较大时，若发现电流表突然大幅度量程过载，应立即将加速电压减小到零，然后检查灯丝电压是否偏大，或适当减小电压（每次减小0.1V－0.2V为宜）。再进行一次全过程测量。若在全过程测量中，电流表指示偏小，可适当增大灯丝电压（每次增大0.1V－0.2V为宜）。（2）F-H管采用间热式阴极，改变灯丝电压后会有1分钟左右的滞后。

五、数据处理

（1）在计算机上进行数据处理，做出I p—V G2K曲线。

（2）求出氩的第一激发电势，并分析误差（相对误差）。

3