实验2.1 电子与原子碰撞实验

实验2.1 电子与原子碰撞实验

实验2.1.1 弗兰克——赫兹实验

引言

１９１３年，丹麦物理学家玻尔（Ｎ．Ｂｏｈｒ）在卢瑟福原子核式模型的基础上，结合普朗克的量子理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论，玻尔理论是原子物理学发展史上的一个重要里程碑。在玻尔原子结构理论发表的第二年，即１９１４年，夫兰克（Ｊ．Ｆｒａｎｋ）和赫兹（Ｇ．Ｈｅｒｔｚ）用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子内部量子化能级的存在，证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的，不连续的，给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。由于此项卓越的成就，他俩获得了１９２５年的诺贝尔物理学奖。

实验目的

1.通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。

2.分析灯丝电压、拒斥电压等因素对Ｆ-Ｈ实验曲线的影响。

3.了解计算机实时测控系统的一般原理和使用方法。

实验原理

根据玻尔理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态(即定态)，其中每一状态对应于

一定的能量值，各定态的能量是分立的，原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差的能量。

如果处于基态的原子要发生状态改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态

时所需要的能量。夫兰克-赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换

而实现原子从基态到高能态的跃迁。

设氩原子的基态能量为Ｅ

1，第一激发态的能量为Ｅ

2

，初速为零的电子在电位差为Ｕ

的加速电场作用下，获得能量为ｅＵ

，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能

量ｅＵ

0＜Ｅ

2

－Ｅ

1

时，电子与氩原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氩原子质量小得多，

电子能量损失很少。如果ｅＵ

0≥Ｅ

2

－Ｅ

1

＝ΔＥ，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞。氩原

子从电子中取得能量ΔＥ，而由基态跃迁到第一激发态，ｅＵ

＝ΔＥ。相应的电位差即为

氩原子的第一激发电位。

夫兰克-赫兹实验原理如图2.1-1所示，在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出，

阴极K和栅极G之间的加速电压Ｕ

GK

使电子加速，

在板极A和栅极之间有减速电压(拒斥电压)Ｕ

AG

，管内电位分布如图2.1-2所示，当电子通

过KG空间进入GA空间时。如果能量大于ｅＵ

AG

，就能达到板极形成板流。电子在KG空间与氩原子发生了非弹性碰撞后，

电子本身剩余的能量小于ｅＵ

AG

，则电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而减

少。实验时使Ｕ

GK

逐渐增加，

仔细观察板极电流的变化我们将观察到如图2.1-3所示的Ｉ

A ～Ｕ

GK

曲线。

随着Ｕ

GK

的增加，电子能量增加，当电子与氩原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服GA空间的减速电场而到达板极A时，板极电流又开始上升。如果电子在KG空间得到的能量ｅＵ＝2ΔＥ时，电子在KG空间会因二次非弹性碰撞而失去能量，造成第二次板极电流下降。

在Ｕ

GK

较高的情况下，电子在跑向栅极的路程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞。只

要Ｕ

GK ＝ｎＵ

（ｎ＝1，2，…），就发生这种碰撞。在Ｉ

A

～Ｕ

GK

曲线上将出现多次下降。对

于氩，曲线上相邻两峰(或谷)对应的Ｕ

GK

之差，即为原子的第一激发电位。

如果氩原子从第一激发态又跃迁到基态，这就应当有相同的能量以光的形式放出，其波长可以计算出来：ｈν＝ｅＵ0，使用光谱仪器确实能观察到这些波长的谱线。

实验仪器

微机化夫兰克-赫兹实验系统原理图如图2.1-4所示。

一般的夫兰克-赫兹管是在圆柱状玻璃管壳中沿径向或轴向依次安装加热灯丝、阴极Ｋ、网状栅极Ｇ及板极Ａ，有的在阴极Ｋ和栅极Ｇ之间还安装第一阳极Go。将管内抽至高真空

后，充入高纯氩或其他元素。

夫兰克-赫兹管的灯丝电压、第一阳极电压、拒斥电压由ＣＡＴ1101直流稳压电源提供。栅极电压由ＣＡＴ1116程控直流稳压电源提供，既可手动设定，也可由计算机控制。

ＣＡＴ4110程控直流微电流表测量板极电流，测量范围为１ｎＡ～１０ｍＡ，共有四档，测量数据可从面板读出，同时可以自动传送给计算机。

实验过程由多媒体计算机辅助实验系统软件ＭＣＡＥｖ1.0进行监控。ＭＣＡＥ工作于３２位Ｗｉｎｄｏｗｓ操作环境，采用消息响应机制，具有多媒体实验资料查阅、实验装置自动控制、实验过程适时监控、实验数据自动采集、实验数据处理及检验、实验数据打印及存档等功能，此外ＭＣＡＥ还具有实验数据异常报警功能，当实验数据出现异常时，MCAE 会自动关闭栅极电压，并显示警告信息，提醒实验人员检查实验装置和实验参数是否恰当，以免损坏仪器。

主控计算机与实验装置之间采用现场总线进行数据交换，测控软件ＭＣＡＥ通过现场总线自动控制实验装置的各项参数并采集测量数据。

实验内容

1.测量氩原子的第一激发电位。

2.分析灯丝电压、拒斥电压、第一阳极电压等因素对Ｆ-Ｈ实验曲线的影响。

实验步骤

1.按照图

2.1-5连接实验线路，检查无误后开机，开机前检查调节电位器是否置零。

2.先将灯丝电压缓慢调至３Ｖ，第一阳极电压调至1.2Ｖ，拒斥电压调至7.5Ｖ，预热1分钟。微电流表量程置于１０μＡ。

3.将ＣＡＴ１１１６程控直流稳压电源置于程控方式，限流值设定为４０ｍＡ。

4.利用电缆将程控电源和微电流表通过串行口与微机相连，启动微机。

5.运行测控软件ＭＣＡＥｖ1.0，进行实验装置联机测试。

6.输入实验参数，设置起始电压、终止电压、测量步距和等待时间(注意栅极电压不能大于８０Ｖ，以免损坏夫兰克赫兹管。)，检查仪器状态与实验参数，按确定，开始测量，则微机自动采集实验数据，并动态地显示数据与Ｆ-Ｈ曲线。

7.利用软件的数据检验功能，将曲线峰值或谷值输入，求氩原子的第一激发电位。

8.改变灯丝电压、第一阳极电压以及拒斥电压，重复进行实验测量，观察实验曲线各有什么变化，分析原因。并求出各种情况下的氩原子的第一激发电位。

9.将氩原子第一激发电位的实验值与理论值（11.55Ｖ）比较，作误差分析。