夫兰克赫兹实验资料.docx

夫兰克-赫兹实验思考题
1、 伏安特性曲线奇异性来源，即F-H管内到底发生了什么物理过程？
Ｆ—Ｈ管是特别的充入特殊气态物质（如氩）的四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。
在Ｆ—Ｈ管中，电子由热阴极发出，阴极Ｋ和第二栅极Ｇ２之间的加速电压ＵＧ２Ｋ使电子加速。第一栅极对电子加速起缓冲作用，避免加速电压过高时将阴极损伤。在板极Ｐ和Ｇ２间加反向拒斥电压ＵｐＧ２。当电子通过ＫＧ２空间，如果具有较大的能量（≥ｅＵｐＧ２）就能冲过反向拒斥电场而达到板极形成板流，被微电流计ｐＡ检测出来。如果电子在ＫＧ２空间因与原子碰撞，部分能量给了原子，使其激发，本身所剩能量太小，以致通过栅极后不足以克服拒斥电场而折回，通过电流计ｐＡ的电流就将显著减小。实验时，使栅极电压ＵＧ２Ｋ由零逐渐增加，观测ｐＡ表的板流指示，就会得出如图2所示Ｉｐ～ＵＧ２Ｋ关系曲线。

它反映了原子在ＫＧ２空间与电子进行能量交换的情况。当ＵＧ２Ｋ逐渐增加时，电子在加速过程中能量也逐渐增大，但电压在初升阶段，大部分电子达不到激发原子的动能，与原子只是发生弹性碰撞，基本上不损失能量，于是穿过栅极到达板极，形成的板流Ｉｐ随ＵＧ２Ｋ的增加而增大，如曲线的ｏａ段。当ＵＧ２Ｋ接近和达到原子的第一激发电位Ｕ０时，电子在栅极附近与原子相碰撞，使原子获得能量后从基态跃迁到第一激发态。碰撞使电子损失了大部分动能，即使穿过栅极，也会因不能克服反向拒斥电场而折回栅极。所以Ｉｐ显著减小，如曲线的ａｂ段。当ＵＧ２Ｋ超过原子第一激发电位，电子在到达栅极以前就可能与原子发生非弹性碰撞，然后继续获得加速，到达栅极时积累起穿过拒斥电场的能量而到达板极，使电流回升（曲线的ｂｃ段）。直到栅压ＵＧ２Ｋ接近二倍原子的第一激发电位（２Ｕ０）时，电子在ＫＧ２间又会因两次与原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥电场，使板流第二次下降（曲线的ｃｄ段）。

同理，如图三所示，在所标各个电压处，Ｉｐ都会下跌，形成规则起伏变化的Ｉｐ～ＵＧ２Ｋ曲线。而相邻两次板流Ｉｐ下降所对应的栅极电压之差，就是原子的第一激发电位Ｕ０。
处于第一激发态的原子经历极短时间就会返回基态，这时应有相当于ｅＵ０的能量以电磁波的形式辐射出来。由式（２）得 　
ｅＵ０＝ｈν＝ｈ·ｃ／λ（４）
式中：ｃ为真空中的光速；λ为辐射光波的波长。
2、 第一激发电位的含义
将原子中的一个外层电子从基态激发到第一激发态所需要的能量称为第一激发电位，通常以电子伏为单位表示。第一激发电位是管内物质的性质，反映管内物质能吸收的最小能量，不随F-H管测量条件的变化而变化。
玻尔的原子理论指出：①原子只能处于一些不连续的能量状态Ｅ１、Ｅ２……，处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态；②原子从一个定态跃迁到另一个定态时，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用Ｅｍ和Ｅｎ分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定：
ｈｖ＝｜Ｅｍ－Ｅｎ｜（１）
式中：ｈ为普朗克常量。
原子从低能级向高能级跃迁，也可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。本实验即让电子在真空中与氩蒸气原子相碰撞。设氩原子的基态能量为Ｅ１，第一激发态的能量为Ｅ２，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是Ｅ２－Ｅ１。初速度为零的电子在电位差为Ｕ的加速电场作用下具有能量ｅＵ，若ｅＵ小于Ｅ２－Ｅ１这份能量，则电子与氩原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量ｅＵ≥Ｅ２－Ｅ１时，电子与氩原子就会发生非弹性碰撞，氩原子将从电子的能量中吸收相当于Ｅ２－Ｅ１的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。设使电子具有Ｅ２－Ｅ１能量所需加速电场的电位差为Ｕ０，则
eu0＝Ｅ２－Ｅ１（２）
式中：Ｕ０为氩原子的第一激发电位。
3、 夫兰克-赫兹实验的历史（正确的实验，错误的解释）
1914年J.夫兰克和G.L.赫兹用低速电子碰撞原子的方法证实了原子分立能态的存在。
弗兰克－赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持。弗兰克擅长低压气体放电的实验研究。1913 年他和G.赫兹在柏林大学合作，研究电离电势和量子理论的关系，用的方法是勒纳德创造的反向电压法，由此他们得到了一系列气体，例如氦、氖、氢和氧的电离电势。后来他们又特地研究了电子和惰性气体的碰撞特性。1914年他们取得了意想不到的结果，他们的结论是：
　　（1）汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止；
　　（2）此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V的加速；
　　（3）可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为2536 的汞谱线的能量子；
　　（4）4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势。
　　弗兰克和G.赫兹的实验装置主要是一只充气三极管。电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场。电子多穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流计测量。当电子管中充以汞蒸气时，他们观测到，每隔4.9V电势差，板极电流都要突降一次。如在管子里充以氦气，也会发生类似情况，其临界电势差约为21V。
　　弗兰克和G.赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱产生的原因是原子或分子的电离，光谱频率ν与电离电势V有如下的量子关系：hν＝eV。
　　弗兰克和G.赫兹在 1914年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点，他们相信自己的实验无可辩驳地证实了斯塔克的观点，认为4.9V电势差引起了汞原子的电离。他们也许因为战争期间信息不通，对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在论文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论。其实，玻尔在得知弗兰克－赫兹的实验后，早在1915年就指出，弗兰克－赫兹实验的4.9V正是他的能级理论中预言的汞原子的第一激发电势。
　　1919年，弗兰克和G.赫兹表示同意玻尔的观点。
4、F-H管内还可以充哪些气体，为何？四极管能否换成三极管？
除氩外，F-H管中还可充入其它稀薄的气体，比如汞蒸气、氢气等。这些气体原子和电子发生非弹性碰撞时能量的转移也是量子化的，同样存在第一激发电位。这些气体充入F-H管后，经历的过程同氩一样。
可以用三极管测量第一激发电位，但没法把加速区和碰撞区分开，不可以把电子加速到很高的能量状态，然后把能量传给氩原子，激发其电子发生跃迁。夫兰克与赫兹做实验时使用的便是一只充气三极管。

4、 微电流放大器的作用
微电流放大器，即微小电流的放大器。就是pA级电流、nA级电流或者uA级电流的放大器。放大器的输入阻抗需要相当高。