大學(xué)物理實驗夫蘭克赫茲PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1大學(xué)物理實驗夫蘭克赫茲大學(xué)物理實驗夫蘭克赫茲 19141914年，夫蘭克（年，夫蘭克（J JFrankFrank）和赫茲和赫茲( (G.Hertz)G.Hertz)用慢電子與稀薄氣體原子碰撞的方法用慢電子與稀薄氣體原子碰撞的方法，使原子從低能級激發(fā)到較高能級。通過測量電，使原子從低能級激發(fā)到較高能級。通過測量電子和原子碰撞時交換某一定值的能量，直接證明子和原子碰撞時交換某一定值的能量，直接證明了原子內(nèi)部量子化能級的存在，證明了原子發(fā)生了原子內(nèi)部量子化能級的存在，證明了原子發(fā)生躍遷時吸收和發(fā)射的能量是完全確定的，不連續(xù)躍遷時吸收和發(fā)射的能量是完全確定的，不連續(xù)的。給玻爾的原子理論提供了直

2、接的而且是獨立的。給玻爾的原子理論提供了直接的而且是獨立于光譜研究方法的實驗證據(jù)。由于此項卓越的成于光譜研究方法的實驗證據(jù)。由于此項卓越的成就，他倆獲得了就，他倆獲得了19251925年的諾貝爾物理學(xué)獎。年的諾貝爾物理學(xué)獎。 本實驗是物理中的一個經(jīng)典實驗，曾獲本實驗是物理中的一個經(jīng)典實驗，曾獲諾貝爾物理學(xué)獎諾貝爾物理學(xué)獎第1頁/共20頁一、實一、實 驗驗 目目 的的第2頁/共20頁 本實驗的目的是通本實驗的目的是通過測定過測定氖氖原子的第一激原子的第一激發(fā)電位，證明原子能級發(fā)電位，證明原子能級的存在的存在, ,加深對加深對“量子量子化化”概念的認識。概念的認識。 第3頁/共20頁第4頁/共20

3、頁 1、玻爾原子理論玻爾原子理論 原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（簡稱為定態(tài)原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（簡稱為定態(tài)），原子在這些狀態(tài)時，不發(fā)射或吸收能量，各定態(tài)有一），原子在這些狀態(tài)時，不發(fā)射或吸收能量，各定態(tài)有一定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的能量不論通過什定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的能量不論通過什么方式發(fā)生改變，它只能使原子從一個定態(tài)躍遷到另一個么方式發(fā)生改變，它只能使原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)。定態(tài)。 原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時，輻射頻率是一定的。如果用時，輻射頻率是一定的。如果用E Em m

4、和和E En n代表有關(guān)二定態(tài)的代表有關(guān)二定態(tài)的能量，輻射頻率能量，輻射頻率由如下關(guān)系決定：由如下關(guān)系決定：式中式中：普朗克常量普朗克常量 h= 6.63 1O-34JS（焦耳焦耳秒秒） nmEEh第5頁/共20頁2、F-HF-H實驗的原理實驗的原理 設(shè)氖原子基態(tài)能量為設(shè)氖原子基態(tài)能量為E E1 1，第一激發(fā)態(tài)能量為第一激發(fā)態(tài)能量為E E2 2，初速為零的電子在電位差為初速為零的電子在電位差為V V0 0的加速電場作用下，的加速電場作用下，獲得能量為獲得能量為eVeV0 0，使具有這種能量的電子與氖原子發(fā)使具有這種能量的電子與氖原子發(fā)生碰撞：生碰撞： 當(dāng)電子能量當(dāng)電子能量 eVeV0 0 E

5、E2 2- E- E1 1 時：時： 電子與氖原子只發(fā)生彈性碰撞，由于電子質(zhì)量電子與氖原子只發(fā)生彈性碰撞，由于電子質(zhì)量很小，電子能量損失很少。很小，電子能量損失很少。 如果如果 eVeV0 0 E E2 2- E- E1 1=E =E ， 則電子與氖原子會產(chǎn)生非彈性碰撞。氖原子從則電子與氖原子會產(chǎn)生非彈性碰撞。氖原子從電子中取得能量電子中取得能量EE，而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，eVeV0 0=E=E。相應(yīng)的電位差相應(yīng)的電位差V V0 0即為氖原子的第一激發(fā)電即為氖原子的第一激發(fā)電位位第6頁/共20頁 原子從低能級向高能級的躍遷，可以通過具有一定原子從低能級向高能級的躍

6、遷，可以通過具有一定能量的電子與原子相碰撞進行能量交換的辦法來實現(xiàn)。能量的電子與原子相碰撞進行能量交換的辦法來實現(xiàn)。如圖，在弗蘭克如圖，在弗蘭克赫茲管中，電子從熱陰極赫茲管中，電子從熱陰極K K發(fā)出，陰發(fā)出，陰極和柵極極和柵極g g1,1,g g2 2之間的加速電壓之間的加速電壓U U1, 1, U U2 2使電子加速。在板使電子加速。在板極極A A和柵極和柵極g g2 2之間加有反向拒斥電壓之間加有反向拒斥電壓U U3 3。弗蘭克弗蘭克赫茲管結(jié)構(gòu)圖赫茲管結(jié)構(gòu)圖電子電子氖氖原子原子K第7頁/共20頁 當(dāng)電子通過當(dāng)電子通過KgKg空間進入空間進入gA gA 空間時。如果空間時。如果能量大于能量大

7、于eVeV3 3就能達到板極形成板極電流。如就能達到板極形成板極電流。如果電子在果電子在KgKg空間與氖原子發(fā)生了非彈性碰撞空間與氖原子發(fā)生了非彈性碰撞后，電子本身剩余的能量小于后，電子本身剩余的能量小于eVeV3 3，則電子不則電子不能到達板極，板極電流將會隨柵極電壓增加能到達板極，板極電流將會隨柵極電壓增加而減少。而減少。 隨著隨著V V2 2的增加，電子能量增加，當(dāng)電子的增加，電子能量增加，當(dāng)電子與氖原子碰撞后還留下足夠的能量，與氖原子碰撞后還留下足夠的能量， 可以克可以克服服gAgA空間的減速場而到達板極空間的減速場而到達板極A A時，板極電流時，板極電流又開始上升。如果電子在又開始上

8、升。如果電子在KgKg空間得到的能量空間得到的能量eVeV2E2E時，電子在時，電子在KgKg空間會因二次彈性碰空間會因二次彈性碰撞而失去能量，而造成第二次板極電流下降撞而失去能量，而造成第二次板極電流下降。第8頁/共20頁在在V VgKgK較高的情況下，電子在跑向柵極的路程中，將較高的情況下，電子在跑向柵極的路程中，將與氖原子發(fā)生多次非彈性碰撞。只要滿足與氖原子發(fā)生多次非彈性碰撞。只要滿足V VgKgKnVnV0 0(n=1(n=1，2 2，) )，就會發(fā)生這種碰撞。在就會發(fā)生這種碰撞。在I IA A- -V VgAgA曲線曲線上將出現(xiàn)多次下降。對于氖，曲線上相鄰兩峰（或谷上將出現(xiàn)多次下降。

9、對于氖，曲線上相鄰兩峰（或谷），對應(yīng)的），對應(yīng)的V V2 2之差，即為原子的第一激發(fā)電位。我們之差，即為原子的第一激發(fā)電位。我們將觀察到如圖所示的將觀察到如圖所示的I IA A-V-V2 2曲線。曲線。第9頁/共20頁三、實三、實 驗驗 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 備備第10頁/共20頁整體實驗裝置整體實驗裝置弗蘭克弗蘭克赫茲管赫茲管電源與電流放大裝置電源與電流放大裝置示波器示波器第11頁/共20頁夫蘭克夫蘭克- -赫茲管赫茲管板極板極A A柵極柵極G2G2陰極陰極K K燈絲燈絲柵極柵極G1G1第12頁/共20頁數(shù)字顯示窗功能選擇旋鈕U2輸出UI輸出溫度，電壓，電流選擇旋鈕I板極電流輸入外節(jié)電表測試孔P

10、C機接口U2調(diào)節(jié)U1調(diào)節(jié)U3調(diào)節(jié)電源與電流放大裝置第13頁/共20頁四、實四、實 驗驗 內(nèi)內(nèi) 容容第14頁/共20頁1 1、調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)U2U2，U3U3在示波器上顯示在示波器上顯示U2-IPU2-IP的曲線的曲線單掃描的動態(tài)過程請點擊下圖觀看第15頁/共20頁2、采用手動法逐點測量U2-IP的實驗過程的實驗過程 點擊圖形觀察點擊圖形觀察第16頁/共20頁五、數(shù)五、數(shù) 據(jù)據(jù) 處處 理理第17頁/共20頁方法方法1、用待定系數(shù)法處理測量數(shù)據(jù)：用待定系數(shù)法處理測量數(shù)據(jù)： 因為金屬電極存在接觸電位差因為金屬電極存在接觸電位差U UJ J，因此測量因此測量中氖的第一激發(fā)電位不是中氖的第一激發(fā)電位不是18.

11、618.6V V，而是存在一定的而是存在一定的差距，因此必須進行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理。差距，因此必須進行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理。 設(shè)：設(shè)： 為各峰值點電壓的順序（為各峰值點電壓的順序（1 1，2 2，3 3） 為各峰值點的柵極電壓為各峰值點的柵極電壓則則ABxy從一系列線形方程中計算待定系數(shù)從一系列線形方程中計算待定系數(shù) A A，B B從而求從而求出第一激發(fā)電位與接觸電位差。出第一激發(fā)電位與接觸電位差。第18頁/共20頁用逐差法處理數(shù)據(jù)用逐差法處理數(shù)據(jù): :由前面的討論可知，由前面的討論可知，IPIPVGKVGK曲線上相鄰兩峰值所對應(yīng)曲線上相鄰兩峰值所對應(yīng)的加速電壓的差值就是氖原子的第一激發(fā)電位的加速電壓的差值就是氖原子的第一激發(fā)電位VoVo，用逐差用逐差法處理數(shù)據(jù)，可使法處理數(shù)據(jù)，可使VoVo求得更準確求得更準確假設(shè)已測出假設(shè)已測出n0n0個峰，那么逐差區(qū)間的數(shù)目可取為個峰，那么逐差區(qū)間的數(shù)目可取為 為偶數(shù)為偶數(shù) 為奇數(shù)為奇數(shù)于是于是 i i1 1，2 2， 其中其中(