弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Dr.Prof.W.N.Pang,*,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,1,庞文宁 报告箱号：,J11,pangwn,弗兰克,-,赫兹,(Franck-Hertz),实验,X-37,空天飞机,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,2,弗兰克,-,赫兹,(Franck-Hertz),实验,一、弗兰克,-,赫兹实验的实验方法,二、实验中的重点概念及物理图像,三、实验目的、任务,四、实验仪器、步骤、注意事项,五、实验报告及数据处理要求,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,3,一、,弗兰克,-,赫兹实验的实验方法,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,4,玻尔,提出原子结构的量子理论后，,1914,年，,弗兰克(,JFranck),和赫兹(,GHertz),用慢电子轰击稀薄气体原子,(Hg),，,做原子电离电位测定时，发现了原子的,激发能态,和量子化的吸收现象，并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，从而,直接证明了玻尔原子结构的量子理论，,为此他们获得了,1925年的诺贝尔物理奖,。,1925,弗兰克-赫兹实验是,完全不同于光谱实验，,是从,另一个角度,来证明原子存在分立能级,并能测量出原子一些能级,。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,5,玻尔原子模型,1913,年,二、,实验中的重点概念及物理图像,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,6,1、以实验为基础的原子,的核式结构模型；,2、光谱的实验资料和经,验规律；,3、从黑体辐射的事实发,展出来的量子论。,定态假设,频率规则,玻尔理论基于的三个物理学基础,玻尔,研究原子结构，提出原子理论,两个基本假设：,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,7,波尔,1885,年生于哥本哈根，,1941,年在哥本哈根大学毕业，获博士学位。,1961,年任哥本哈根大学理论物理学教授，,1962,年起担任哥本哈根大学理论物理研究所所长。曾任丹麦皇家科学院院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。,科学活动：,发展原子、分子和原子的量子理论方面。他把经典力学和量子理论结合起来，从而引起原子理论的革命，对量子力学建立起了重要作用，,1922,年获诺贝尔物理学奖。,主要著作,:,1922,年出版,光谱与原子结构理论,、,1934,年出版,原子理论与自然界描述,、,1955,年出版,知识统一性,等。,1922,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,8,关于轨道能量量子化的概念,原子处于特定条件所限定的几个能态,定态,(,stationary states,),所有允许能态的统称。,电子只在确定半径和能量的定态轨道上运动,不辐射能量,。,基态,(,ground state,),主量子数,n=1,的定态，也称为,基态,。基态是能量最低即最稳定的状态。,激发态,(,excited states,),除基态以外的其余定态。各激发态的能量随,n,值增大而增高。,电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,9,9,9,原子的基态与激发态之间的关系,基态原子,激发态原子,吸收能量,释放能量,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,10,氩原子,(Z=18),的基态电子组态标示为,Ar I 1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,1,S,0,Ionization energy127109.842 cm,-1,(15.759610 eV),电子层,原子核,氩原子第一激发态电势是多少？,光谱数据：,11.55eV,理论计算：,13.08eV,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,11,NIST Physics Laboratory,Basic Atomic Spectroscopic Data,www.nist.gov/physlab/data/handbook/index.cfm,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,12,两条共振态,J=1,相对谱线强度,1000,，能级,11.83 eV,J=1,相对谱线强度,500,，能级,11.63 eV,氩原子,(4s),Ar I 1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,1,S,0,两条亚稳态,J=0,相对谱线强度,600,，能级,11.72 eV,J=2,相对谱线强度,300,，能级,11.55 eV,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,13,Ar I 1,s,2,2,s,2,2,p,6,3,s,2,3,p,6,1,S,0,基态,J=1,强度,1000,，,11.83 eV,J=1,强度,500,，,11.63 eV,J=2,强度,300,，,11.55 eV,J=0,强度,600,，,11.72 eV,激发态,亚稳态,亚稳态,激发态,3,p,5,4,s,可能的激发和退激发途径,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,14,Energy Levels of Neutral Argon(ArI),11.55eV,11.63eV,11.72eV,11.83eV,11.68eV,13.21eV,12.91eV,13.27eV,13.08eV,13.10eV,13.15eV,13.17eV,13.28eV,13.30eV,13.33eV,13.48eV,系数,1240,U,g,=12.45eV,简单叠加,简单叠加,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,15,当电子的加速电压,U,A,原子第一激发电势,U,g,电子与原子碰撞过程中无能量的交换。,碰撞前后速度不变，,表现为,“,弹性碰撞,”,物理图像,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,16,当电子的加速电压,U,A,原子第一激发电势,U,g,电子与原子碰撞发生能量交换。,电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子,表现为：,“,非弹性碰撞,”,物理图像,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,17,实验中采用一定入射能量的电子与,Ar,原子碰撞,2025/10/29 周三,17,U,A,U,R,K,X,G,1,U,G,G,2,R,K,G,1,G,2,R,A,U,G,U,A,U,R,U,F,U,F,I,A,F:,电子发射丝,K:,阴极,G1:,控制栅极,G2:,加速栅极,R:,收集极,控制栅极,G1,与加速栅极,G2,之间的加速电压,UA,使电子加速。,在收集极,R,和加速栅极,G2,之间设置减速电压,UR,。,注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约,1.5,伏，消除阴极电子散射的影响。,电子由阴极,K,发出，阴极,K,和控制栅极,G1,之间的加速电压,UG,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,18,弗兰克,赫兹实验设计的巧妙之处,在收集极,A,与减速栅极,G,2,之间加了一个小而稳定的,拒斥,(,减速,),电压,U,R,，可筛去能量小于,的电子，从而能检测出入射电子在非弹性碰撞过程中能量损失的情况。,调节,U,F,，固定,U,G,=1eV,、,U,R,=10eV,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,19,三、实验目的、任务,1.通过对,氩原子第一激发态电位,的测量实验，了解弗兰克赫兹研究原子能级,(,量子化,),的基本思想和方法；,2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的,微观图像,，以及影响这个过程的主要物理因素，学习用实验研究的方法来检验物理假说和验证理论的方法；,任务：,U,a,控制在,0-90V,范围内，测定氩原子的第一激发电位。,Ip-,-,收集电流，至少观测到,6,个峰。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,20,K,G,2,A,U,g,U,g,U,g,U,g,U,g,Ug:,原子的第一激发电势,(,电位,),本实验的任务,:,就是要测出,下面,这条,I,A,U,A,曲线，,并由此确定出氩原子的第一激发电位。,U,A,I,A,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,21,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,22,四、实验仪器、步骤、注意事项,F-H,管,U,F,U,G,U,R,稳压电源,U,A,扫描电源,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,23,电子,氩原子,K,G,2,G,1,A,I,U,A,U,G,U,R,微电流仪,灯丝电压,U,F,F-H,管,采用双栅极结构的柱面型四极管,管内充有氩气,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,24,实验步骤,熟悉实验装置结构和使用方法,按照实验要求连接实验线路，检查无误后开电源。,注意微安表，切勿打表,扫描电源,Ua,有两种工作模式,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,25,U,F,:1-3V,U,R,:6-9V,U,G,:2-4V,开关拨至手动调节,档,手动模式,设定稳压电源的各电压值。,先,探,索,最佳,实验条件,，,观,测收集电流,I,P,随,扫描电压,U,A,变化规律并记录,分析,。,使,U,A,在,0-90V,内增加，,I,P,在表头指示,050,A(,微电流放大器,10,-8,A),之间变化，且有明显的峰谷，,峰个数不少于,6,个,。注意灯丝电压,U,F,对,I,P,的变化影响极大，但时间上反应滞后，须仔细调整并确使,U,F,3V,。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,26,计算机自动调节,U,A,模式,实验过程中每改变,U,a,的电压值，,F-H,管的收集极电流值随之改变。,开关拨至,慢扫档,U,A,上限电压设置接近,90V,，,I,P,在表头指示,接近,50,A,。,注意,：关联调节,灯丝电压,U,F,、控制栅电压,U,G,和拒斥电压,U,R,。,手动调节回零,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,28,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,30,实验注意事项,1,、,F-H,管的电压值,须按照给定值进行设置,;U,A,设定终止值不要超过90,V;,手动测试完毕后，尽快将,U,A,减为零。,2,、长时间处于电离状态，会造成,F-H,管损坏或性能变差，使用中应注意。测量中，逐步增加加速电压时，电流表指针应出现最大，最小摆动的电流信号。若发出电流表指针突然超出量程,(,打表现象,),，说明管子中有电离，应立即减小加速电压，并将灯丝电压减小。,3,、经过一段实验时间后，,F-H,管的工作条件可能与原先提供的参考数值有偏离，应重新调整灯丝电压。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,31,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,31,谢 谢,切勿产生浮躁情绪,上课时间：,下午,1:30-4:50,晚上,6:30-9:50,五、实验报告及数据处理要求,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,32,五、,实验报告及数据处理要求,实验报告要求,1),拒收电子版；,2),数据处理过程严谨。,实验报告内容,1.,实验名称；,2.,实验目的；,3.,原理简述,(,原理图、电路图或光路图，以及主要计算公式等,),4.,主要实验仪器设备；,5.,实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论；,6.,实验现象分析、误差评估、小结和讨论。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,33,实验报告,(,写科学论文的前奏,),实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。,实验原理要简明扼要，要有必要的电或光路图，要有主要的数据处理过程，,一定要列出实验结果,。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,34,数据处理要求,使用两种方法,:,1),逐差法,；,2),最小二乘法,单位：伏,(V),；保留两位小数,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,35,1),逐差法,2),最小二乘法,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,36,U,A,接触电位差和空间电流对,I,A,-,U,A,曲线存在影响,实验,中,，,随加速,栅极电压,UA,逐渐增加,，,并观察微电流计的电流指示。如果原子能级确实存在，而且基态与第一激发态之间有确定的能量差，就能观察到如图,所示的,I,A,-,U,A,关系曲线。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,37,U,A,O-A-B,段：,随之加速场电压,U,A,的开始升高，,I,A,随之逐渐升高，表征绝大部分,电子与氩原子作弹性碰撞,(,无能量交换,),，,并,克服,拒斥,(,减速,),电压,U,R,到达收集极,A,。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,38,U,A,B-C,段：,当,电压,U,A,等于或稍大于氩原子第一激发电位时，,发生非弹性碰撞,，,即,氩原子,吸收,能量从,基态跃迁到第一激发态,，而,入射,电子将失去全部或绝大部分能量，从而不能穿过拒斥场到达,收集极,，,因此,收集极的,电流,I,A,急剧下降。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,39,U,A,C-D,段：,继续增加,U,A,电子在与氩原子碰撞后,还能被加速到足够的能量，,克服,拒斥场的阻力而到达收集极,A,，这时,收集极的,电流,I,A,又开始上升。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,40,U,A,D-E,段：,继续增加,U,A,二倍于氩原子的第一激发电位,(2,U,g,),时，又会因第二次非弹性碰撞,而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到收集极,A,，,因此,收集极的,电流,I,A,再度急,剧下降。,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,41,U,A,同理，随,U,A,增加，电子会与氩原子发生第三次、第四次,非弹性碰撞，因而收集极电流,I,A,就会相应下跌，形成具有规则起伏的,I,A,U,A,曲线,(,如图,),。,两峰间的电位差等于氩原子的第一激发电位,U,g,。,（,n=1,2,6,）,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,42,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,42,谢 谢,切勿产生浮躁情绪,上课时间：,下午,1:30-4:50,晚上,6:30-9:50,2025/10/29 周三,Dr.Prof.W.N.Pang,43,43,基础科学研究,目前根本看不出有什么具体用途，研究成果也无法直接转化成生产力，,切勿产生浮躁的情绪。,普遍存在于社会的浮躁情绪，是人才培养过程中的最大敌人。,