弗兰克——赫兹实验

【摘要】实验中可观测到电子与汞蒸汽原子碰撞时的能量转移的量子化现象,测量汞原子的第一激发电位,从而加深对原子能级概念的理解。

【关键词】玻尔理论原子能级

随着科学的飞快发展,人们对物理学说的研究已经层层深入。先人给我们留下了许多发现,为我们如今的科学研究打下了很多很好的基础。其中,弗兰克和赫兹的关于对原子能级的研究实验就具有一定的代表性,该实验严谨的证明了原子能级的存在,通过对实验的了解,更多的实验者可以从中掌握测量第一激发点位的方法。

弗兰克和赫兹在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明,电子与汞原子碰撞时,电子损失的能量严格地保持4.9eV,即汞原子只接收4.9eV的能量。这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”,是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。我们此次实验的目的是要学习测量原子第一激发电位的方法以及证明原子能级的存在。

1.弗兰克-赫兹实验的一些基本实验原理:

玻尔的原子理论指出:①原子只能较长久的停留在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|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汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为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,则电子与汞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,电子与汞原子就会发生非弹性碰撞,汞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(式中:U0为汞原子的第一激发电位)。

2.实验步骤:

2.1在实验开始前,我们先要学会调节弗兰克-赫兹实验仪:

将U FU  G1 U  G2A 旋钮调自左向右三分之一处,U  G2 选择开关掷“自动0~100V”打开仪器电源开关观察数字电压表以及电流表。

2.2测定氩原子第一激发电位U

将U  G2 选择开关切换为“手动”,调节U  G2 电位器使加速电压从最小缓慢增大,然后根据老师要求依次记录I A出现谷、中间值、峰、中间值、谷、中间值、峰……选取24个加速电压U  G2 的值。然后适当增大U  G2 后再是加速电压缓慢减小,事后验证已测数据以求准确,并记录下这些数据。根据对这些数据的分析及作图,基本可以作出如下图示:

实验测量数据电压(V)电流(*10-9mA)

序号中间值1(电流/电压)峰值(同前)中间值2(同前)谷值(同前)

18/0.0810/0.316/0.5418/0.520/0.2621.8/0.19

223/0.5825/0.6726.5/0.7228/0.4230/0.2532/.011

334/0.5736/0.7238/0.8240/0.6342/0.1343/0.08

446/0.48/0.8350/0.9252/0.4354/0.2155/0.12

557/0.3859/0.6762/0.94/0.6566/0.37    67/0.24

670/0.5472/0.8374/0.9676/0.7578/0.5280/0.41

夫兰克-赫兹实验的重要意义不仅在于它的科学贡献和实验设计的精巧上,也体现在它在培养我们物理思维和物理观念转变上有平常理论教学难以达到的作用。在接触微观理论的初期,由于微观世界是看不见摸不着的,如果没有相应的实验基础,很难建立起微观量子态概念,而弗兰克-赫兹实验恰好将看不见的微观量子状态转换成能够观察和测量的宏观量,使我们看到原子中分立能级确实存在,因而经典辐射理论必须用量子理论来取代。这对我们建立新的物理观念与进入新的微观物理世界有重要的引导作用。

在此次实验过程中电流本身变化具有一定的滞后性,所以在去测量值时要慢旋细看,尽量减少实验数据与真实值之间的误差。通过本次实验操作逼迫自己必须要有耐心等待每个测量值的出现,考验了自己的耐力。

参考文献

[1]《大学物理实验》武汉理工大学出版