大学物理实验报告弗兰克赫兹实验.pdf

大学物理实验报告弗兰克赫兹实验 Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2020.为了研究原子内部的能量时态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用为了研究原子内部的能量时态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用低速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原低速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原子内部量子化能级的存在。子内部量子化能级的存在。实验要求：实验要求：通过对汞原子第一激发电位测量，了解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子通过对汞原子第一激发电位测量，了解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。化方面所采用的实验方法。了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。理论基础理论基础HgHg 原子能级原子能级其中其中 6 61 1S S0 0（0ev0ev）为基态，）为基态，6 63 3P P1 1（4.9ev4.9ev）为激发态，）为激发态，6 63 3P P0 0（4.7ev4.7ev）、）、6 63 3P P2 2（5.47ev5.47ev）为亚稳态）为亚稳态实现能级跃迁，吸收光子实现能级跃迁，吸收光子原子与电子碰撞原子与电子碰撞处于激发态的原子不稳定，发射光子回到低能态。处于激发态的原子不稳定，发射光子回到低能态。原理图原理图F-HF-H 管内充汞，灯丝加热管内充汞，灯丝加热 K K 使其发射电子，使其发射电子，G G1 1控制通过控制通过 G G1 1的电子数目，的电子数目，G G2 2加速电子，加速电子，G G1 1、G G2 2空间较大，提供足够的碰撞概率，空间较大，提供足够的碰撞概率，A A 接收电子，接收电子，AGAG2 2加一扼止加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。实验曲线：实验曲线：碰撞过程及能量交换碰撞过程及能量交换此过程在此过程在 G G1 1G G2 2空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，使其不能到达的能量，使其不能到达 A A 从而不能形成电流。从而不能形成电流。=4.7V=4.7V，使原子激发到，使原子激发到 6 63 3P P0 0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收。易观察到这个吸收。=4.9V=4.9V，使原子激发到，使原子激发到 6 63 3P P1 1，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达不能到达 A A，形成第一个峰。，形成第一个峰。=9.8V=9.8V，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在 G G2 2处失去动能，形成第处失去动能，形成第二个峰。二个峰。=4.9nV=4.9nV，将形成第，将形成第 n n 个峰。个峰。电子平均自由程对激发或电离的影响电子平均自由程对激发或电离的影响主要由炉温决定，还与电子速度等有关。主要由炉温决定，还与电子速度等有关。很短，相邻两次碰撞间获得能量小，经多次碰撞能量积累到第一激发态很短，相邻两次碰撞间获得能量小，经多次碰撞能量积累到第一激发态的能量时，能使原子激发到激发态，不容易激发到较高能态。的能量时，能使原子激发到激发态，不容易激发到较高能态。很长，相邻两次碰撞间获得能量大，激发到高能态的可能性很大，所以很长，相邻两次碰撞间获得能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在在 很长，加速电压较高，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能很长，加速电压较高，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能态，甚至电离。态，甚至电离。注意事项注意事项先将温度调到设定值，打开温控电源，加温指示灯先将温度调到设定值，打开温控电源，加温指示灯 onon 亮（绿色），到设定温亮（绿色），到设定温度度 offoff 指示灯亮（红色）。指示灯亮（红色）。接线，将接线，将 V Vf f，V VG1KG1K，V VG2PG2P，V VG2KG2K的旋钮调到最小，到设定温度后，再打开两仪器电的旋钮调到最小，到设定温度后，再打开两仪器电源，然后据炉上标签设定各电压值。用“手动”档测曲线。源，然后据炉上标签设定各电压值。用“手动”档测曲线。实验中若产生电离击穿实验中若产生电离击穿(电流迅速严重过载电流迅速严重过载)，立即将加速电压调到零，减小灯，立即将加速电压调到零，减小灯丝电压，每次减小丝电压，每次减小 0.10.2V0.10.2V，重新测曲线。，重新测曲线。加热炉的炉温较高，移动时应注意，导线不要挂在炉壁上。加热炉的炉温较高，移动时应注意，导线不要挂在炉壁上。在实验中注意炉温及灯丝电压的选择。在实验中注意炉温及灯丝电压的选择。思考题：思考题：灯丝电压的大小对灯丝电压的大小对说明温度对充汞说明温度对充汞 F-HF-H 管管曲线有何影响？曲线有何影响？曲线影响的物理机制。曲线影响的物理机制。