弗兰克-赫兹实验

WWW.KMUST.EDU.CN夫兰克-赫兹实验Franck-HertzExperiment昆明理工大学新迎物理实验中心贾友见2006年7月注意：本教学片中引用的图片或其它资料，无论注明与否，版权均属原作者或单位所有*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnObjective: Tomeasurethefirstexcitationpotentialandtheionizationpotentialofmercuryatomsandtoshowthattheenergiesofboundelectronsarequantized. 证明Ar原子能级之不连续性和测量其第一激发电压。 提供一种有别于光谱学研究，且更直观的方法来验证原子能级的不连续性。*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn三个重要实验之一证实光量子的存在。-黑体辐射，光电效应，康普顿效应证实原子中的量子态。-光谱，Franck-Hertz实验证实物质波的实验。-电子衍射，中子衍射*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnTheNobelPrizeinPhysics1925JamesFranckGerman(1882-1964)GustavLudwigHertzGerman（1887-1975）"fortheirdiscoveryofthelawsgoverningtheimpactofanelectronuponanatom"*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnTheBohrmodelNielsBohr经典轨道加定态条件(Theassumptionofstableorbits)---电子绕核圆周运动，但电子只能处在一些分立的轨道上，且在这些轨道运动时，不产生电磁场辐射定态跃迁---电子在定态轨道上运动，不会产生电磁辐射，但当电子从一个定态轨道跃迁到另一轨道时，会以电磁波形式吸收（或放出）能量角动量量子化---Bohr从对应原理导出角动量量子化的条件（L=nh，n=1，2，3，……）*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnBasicideaoftheFranck-HertzexperimentFranck-Hertz实验的基本想法 光谱实验是从电磁波的发射或吸收研究电子在量子态之间的跃迁，并由电磁波的分立特征，证明量子态的存在。 Franck-Hertz实验则是用电子束激发原子，若原子果真具有分立的能态，即量子态,则必然仅有某些具有特定能量的电子才能引起原子的激发。*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn1914年，Franck和Hertz进行了电子轰击原子的实验。若电子在KG区域内与原子碰撞，将能量传递给了原子，则其剩余动能就很小，因而使之无法到达接收极Ａ逐渐增大ＫＧ间的电压V，同时观测电流计的电流I。关于汞的实验结果如图所示：当V由零逐渐增大时，I出现一系列的峰和谷，且峰（谷）的间距大致相等，均为4.9V。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，汞原子对外来能量的吸收具有明显的选择性。仅当外来能量达到4.9ｅＶ时，它才吸收。*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn 结果表明，汞原子对外来能量的吸收具有明显的选择性。仅当外来能量达到 关于汞的实验结果：当V由零逐渐增大时，I出现一系列的峰和谷，且峰（谷）的间距大致相等，均为4.9V。 上述结果表明，汞原子对外来能量的吸收具有明显的选择性。仅当外来能量达到4.9ｅＶ时，它才吸收。*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnImprovedFranck-Hertzexperiment改进的Franck-Hertz实验 1920年Franck将实验装置作了以下改进 （1）在阴极K前加一极板，从而使阴极由直热式改为旁热式，电子发射就更为均匀。 （2）在K附近增加一栅极G１　KG１的间距小于电子在汞蒸汽中的平均自由程，并降低管内气压以建立一个无碰撞的加速区。（KG１） （3）G１与靠近A极的G２等电位，从而建立一个等势区（G１G２）作为碰撞区。 改进后的装置，使加速区和碰撞区分开，从而可使电子在加速区中获得相当高的能量，这就克服了原装置里的缺陷。*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnApparatusWS－FHZ（W）智能型（微机型）夫兰克－赫兹实验仪　技术指标：　　(1)夫兰克-赫兹管：充氩管免加热：4级,谱峰(或谷)数量≥7,寿命≥3000hrs　　(2)工作电源及扫描电源(三位半数显；误差≤1%)：　　灯丝电压：DC0～6.3V，最小调节步进0.1V；　　第一栅压：DC0～5V，最小调节步进0.1V；　　第二栅压：DC0～100V，自动扫描调节步进0.2V，手动加压最小调节步进0.5V；　　拒斥电压：DC0～12V，最小调节步进0.1V；　　(3)微电流测量仪(三位半数显)：测量范围：10-6～10-9A，±1%　　　*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn实验装置氩管夫兰克—赫兹管特点：采用充氩夫兰克--赫兹管，比以前使用充汞管方式有了重大改进，去掉了较为落后的灯管加热炉装置，即便于操作，又避免了由于温度控制不精确而对实验造成的误差、以及汞蒸气对人体及环境的污染。*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn实验装置*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn不许拔下仪器前面板上的导线，进行违规连接，以免发生短路，损坏仪器。在设定各电压值时，必须在给定的量程或范围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏仪器或不能准确显示。注意事项*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 与处理数据记录UF=;UG1=;UG2P=; N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 U2(V) N 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 U2(V) N 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 U2(V)*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnDataanalysis数据处理根据手调“栅压调节”做出的IA-----VG2K曲线和计算机显示所显示的曲线，求出各峰所对应的电压值，用逐差法求出氩原子第一激发电位，并与公认值VC0=11.5V伏比较，求出测量误差。*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn数据处理示意图*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnDataanalysis Makeapreliminaryprintofyourdataandinsertitintoyournotebook.Don’tforgettorecordalltheconditionsalongsidethegraph:oventemperature,VG1,andthefilamentvoltageVF. Basedonthisgraph,roughlyestimatethefirstexcitationpotentialofthemercury(E1)bymeasuringthedistance(inVolts)betweenthelocalmaximaprecedingthefirstandsecondlocalminimaintheanodecurrent.Also,estimatethestandarddeviationinmeasuringDE1fromyourmeasurements. Fromthesamegraph,determinethecontactpotentialVcontactbetweenthecathodeandG2bysubtractingthevalueofthefirstexcitationpotentialDE1fromthevalueofVG2atthefirstlocalmaximumthatyoumeasured.*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn7、在F-H管的I-U曲线上第一个峰的位置，是否对应于氩原子的第一激发电位？1、能否用氢气代替氩气？为什么?2、为什么I-U曲线不是从原点开始?3、为什么I不会降到零?4、为什么I的下降不是陡然的?5、在F-H实验中，得到的I-U曲线为什么呈周期性变化？6、在F-H管内为什么要在板极和栅极之间加反向拒斥电压？思考与讨论*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnRememberthat theatomsareNOTbeingionizedbytheircollisionswithelectrons;theyaresimplybeingbumpedupwardsintoanexcitedstate.*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cnHaphazardmannerofrealresearch Theauthorsweren'ttryingtotestBohr'smodel;infact,theyweren'tevenawareofBohr'stheory!.AmericanJournalofPhysics,vol.29,p.805(1961). Theyinterpretedtheirexperimentalresultsincorrectlyinthepaper(1914):theybelievedthatthecollisionsbetweenelectronsandmercuryatomswereionizingthemercuryatoms;butactuallythecollisionswereexcitingthemercuryatomsfromtheirgroundn=1statetothefirstexcitedn=2state.*昆明理工大学新迎物理实验中心www.kmust.edu.cn请准时交报告************************