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实验10 夫兰克——赫兹实验
近代物理的标志是量子理论的建立，而量子理论的实验基础是原子光谱和各类碰撞研究。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.分析温度、灯丝电流等因素对夫兰克——赫兹实验曲线的影响。 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E1，第一激发态的能量为E2，初速为零的电子在电位差为V0的加速电场作用下，获得能量为eV0，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eV0 的第一激发电位。 夫兰克—赫兹实验原理如图 图1 夫兰克—赫兹实验原理图 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G 之间加有减速电压 VAG VGK使电子加速。在板极A和栅极 ，管内电位分布如图二所示， eVAG当电子通过KG空间进入GA 空间时。如果能量大于 eV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GK逐渐增加，仔细观察板极电流的变化，我 I?VGK们将观察到如图三所示的A曲线。 随着 VGKV的增加，电子能量增加，当电子与氩原子 图2 夫兰克—赫兹管管内电位分布 碰撞后还留下足够的能量， 可以克服GA空间的减速场而到达板极A时，板极电流又开始上升。如果电子在KG 空间得到的能量eV＝2ΔE，时电子在KG空间会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电流下降。在VGK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VGK?nV0(n=1，2，?)，就发生这种碰撞。在IA?VGK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VGK之差，即为原子的第一激发电位。 图3 夫兰克—赫兹管的IA-VGK曲线 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 0。实验中确实能观察到这些波长的谱线。 波长可以计算出来:【实验仪器】 ZKY-FH微机夫兰克——赫兹实验仪，电脑等。 【实验内容】 1.熟悉实验装置结构及使用方法。 2.按照实验要求设计并连接实验线路，检查无误后开机，开机前检查调节电位器是否置零。 3.先将灯丝电压缓慢调至2.5伏，第一阳极电压调至1.0伏，拒斥电压调至5伏，预热1分钟。 4.输入实验参数，自动采集实验数据，测量氩原子的第一激发电位。注意栅极电压不能大于80伏，以免损坏夫兰克一赫兹管。 5.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。 【复习思考题】 1.灯丝温度(即电压)增高实验曲线将如何移动？ 2.灯丝电压增高或减低，对第一激发电位有无影响？ 3.在F-H管的IA-VGK曲线上第一个峰的位置是否对应原子的第一激发电位？ 4.F-H管阴极和栅极间的接触电位差将使IA-VGK曲线如何移动？ 5.如何通过夫兰克—赫兹实验计算出氩原子从第一激发态跃迁回基态所辐射出的光波 hv?eVeU0的波长？(提示：) 6.在本实验中能否得到高激发态电位，为什么？若不能，你能给一点测试或改进的意见吗？ 【注意事项】 1.所有仪器应在接线检查无误后才能开启电源。开关电源时应将调节电位 器左旋至零。 2.实验装置中各单元通讯地址应与测控软件所设定的通讯地址一致，在一个系统中，所有单元的通讯地址均不应相同，否则系统将不能正常工作。 ??hc3.管子的“灯丝电压”只能在实验室提供数据之间选用，电压过高阴极发射能力过强，管子易老化；过低会使阴极中毒，损坏管子。 【参考资料】 1.诸圣鳞. 原子物理学. 人民教出版社，1979。 2.杨福家. 原子物理学. 高等教育出版社，1990。 3.刘复汉. 物理实验. 1993，13(1)。