夫兰克-赫兹实验(1).doc

夫兰克─赫兹（F—H）实验

一、实验内容：
测定氩元素的第一激发电位，证明原子能级是量子化的。
二、实验仪器：
夫兰克－赫兹实验仪器

三、实验原理：
设和分别为原子的第一激发态和基态能量。初动能为零的电子在电位差的电场作用下获得能量，如果

那么当电子与原子发生碰撞时，原子将从电子攫取能量而从基态跃迁到第一激发态。相应的电位差就称为原子的第一激发电位。

图1 夫兰克-赫兹实验装置
夫兰克-赫兹实验仪器如图1所示。在玻璃器中充入要测量气体（本实验充氩气）。电子由热阴极K发出。在K与栅极G2之间加电场使电子加速。在G2与接收极A之间有一反电压。当电子通过KG2空间，进入G2A空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反电场而达到电极A，成为通过电流计的电流。如果电子在KG空间与原子碰撞，把自己一部分的能量给了原子，使后者被激发。电子剩余的能量就可能很小，以致过栅极G2后已不足以克服反电势，那就达不到A，因而也不流过电流计。如果发生这样情况的电子很多，电流计中的电流就要显著地降低。为了消除空间电荷对阴极电子发射的影响，在阴极附近再增加一栅极G1，构成四极管。
把KG2间的电压逐渐增加，观察电流计的电流。这样就得到A极电流Ip随KG间电压的变化情况，如图2所示。

图2 Ip~UG2K曲线

电子在加速运动过程中，必然要与氩原子发生碰撞。如果碰撞前电子的能量小于原子的第一激发电位U0（对氩原子U0=11.8伏），那么他们之间的碰撞是弹性的。（这类碰撞过程中电子能量损失是很小的，约10-5倍）。然而如果电子的能量U达到U0（实验中U>U0），那么电子与原子之间将发生非弹性碰撞。在碰撞过程中，电子的能量传递给氩原子。假设这种碰撞发生在栅极附近，那些因碰撞而损失了能量的电子在穿过栅极之后将无力克服减速电压UG2A而到不了A极板，因此这时板流Ip是很小的。
随着UG2K的增加，电子与原子的非弹性碰撞区域将向阴极方向移动。经碰撞而损失能量的电子在奔向栅极的剩余路程上又得到加速，以致在穿过栅极之后有足够的能量来克服减速电压UG2A而达到板极A。此时，板流Ip又将随UG2K增加而升高。若UG2K的增加使电子在到达栅极前其能量又达到，则电子与氩原子将再次发生非弹性碰撞，即Ip又一次下降。在UG2K 较高的情况下，电子在向栅极飞奔的路程上，将与氩原子多次发生非弹性碰撞。每当UG2K=（n=1，2，…），就发生这种碰撞。（在实验中，可看出，由于仪器的接触电势的存在，每次Ip达到极小值时，所对应的UG2K并不是落在外加电压处。）即在Ip~UG2K曲线上出现Ip的多次下降。对于氩，Ip的每两个相邻峰值的UG2K差值（即为第一激发电位）均约为11.8伏，即氩的第一激发电位为11.8伏。
四、实验步骤：
1．插上电源，拨动电源开关，指示灯亮。
2．将“手动—自动”切换开关选择“手动”档， “灯丝电压”、“UG1K”、“UG2A”按仪器提供参数进行设置。
3.“微电流倍程”开关置于1档。
4．预热10分钟。
5.按“启动”开始测量。
按下“”键，再按调整按键区的增加按键逐步增加，用示波器观察Ip—曲线并且记录和对应的Ip的起伏变化 。
UG2K从0.0V开始增加，步长0.5V，一直加到80V左右，出现6个峰为止。
五、数据记录和数据处理：
Uf = UG1K= UG2A=
次数
1
2
3
4
5
6
……
UG2K

Ip

数据处理要求：1）在坐标纸上作Ip—UG2K曲线
2）记录峰值对应的UG2K值Ui，填入下表格：
峰i
1
2
3
4
5
6
Ui

Ui=Ui+3-Ui

根据式子计算氩（Ar）原子的第一激发电位UAr，并与其公认值11.8V进行比较。
六、注意事项：
1、实验中（“手动”模式）电压加到75.0V以后，要注意电流输出指示，当电流表指示突然骤增，应缓慢增加电压，并且注意观察示波器的波形显示，等到第6个峰一旦出现下滑立即停止增加电压，以免管子击穿损坏。
2、可在不同的灯丝电压下重复实验。如发现波形上端切顶，则阳极输出电流过大，引起放大器失真，应减小灯丝电压。灯丝电压太大太小都不好，太小了参加碰撞的电子数少，反映不出非弹性碰撞的能量传递，造成Ip—曲线峰谷很弱，甚至得不到峰谷；反之则易使微电流放大器饱和，引起Ip—曲线的阻塞。
3、如果Ip—曲线峰谷差值小，可以适当调节（拒斥电压），因为偏大或偏小，峰谷差都小。偏小时，起不到对非弹性碰撞后失去能量的电子进行筛选作用，峰谷差小；偏大时，许多电子又因能量小而不能到达极板形成板流Ip,所以峰谷差仍然小。
七、思考题：
1) 灯丝电压的大小对Ip—UG2K曲线有何影响？
提示：参看注意事项2
2）拒斥电压UG2A对如何影响？
提示：参看 注意事项3
3）为什么Ip—UG2K呈周期性的变化？
提示：在UG2K 较高的情况下，电子在向栅极飞奔的路程上，将与氩原子多次发生非弹性碰撞。每当UG2K=nU0（n=1，2，…），就发生这种碰撞。
4) 为什么Ip—UG2K曲线峰值越来越高？
提示：这是因为电子与氩原子碰撞有一定概率。一部分电子与氩原子发生非弹性碰撞损失能量后，不能克服反向拒斥电压到达极板从而造成板流下降，而另一部分电子则因“逃避”了碰撞，能够到达极板而形成板流，又因电子能量越大，碰撞概率越小，能够到达极板而形成板流的概率也越大，因此，“谷”的极小值随着加速压（UG2K）增大而增大。