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。