氩原子的第一激发电

VG2K V
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
IA nA
1.2 1.8 2.2 2.3 2.2 1.9 1.4 1.1 1.0 1.7 3.9 6.9 9.5
VG2K V
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
IA nA
11.0 11.1 9.7 6.8 3.7 1.7 1.1 2.3 6.7 14.1 20.9 25.2 26.7
② VG1 ，VF 不变，VA 增大 如图 3 所示，拒斥电压 VA 增大，峰变窄而谷变宽，整个曲线向右移动。原因：根据能量守恒定律，电 子必须以一定速度穿过栅极 G2 才能到达板极 A 形成板极电流。当 VA 偏小时，其对电子的筛选作用小，从 而使峰谷差距较小。当 VA 增大时，其对电子的筛选作用增大，从而使峰谷差距变大；
VG2K V
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
IA nA
25.1 19.9 12.5 6.4 3.1 2.9 7.3 17.3 28.0 36.4 41.3 42.4 39.0
VG2K V
53
54
55
56
57
58
59
60
64
65
66
67
68
IA nA
31.8 22.6 14.4 9.2 8.3 13.9 23.7 34.5 50.0 44.8 37.4 29.0 22.2

课程名称：大学物理实验（二）
实验名称：弗兰克-赫兹实验
图2.1 弗兰克-赫兹管原理图
设氩原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2
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。

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从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。

位差为U0则
eU0=E2−E1
图3.1弗兰克-赫兹仪实物图
对应的V G2是内部的锯齿电压，作用是急速电压自动变化。

对应于示波器观测模
I P(×10-8A)
U G2(×
图6.1 加速电压与电流的关系图
可以发现电流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，且两相邻谷点(或峰尖)即为氩原子的第一激发电位值。

同时，可以读出峰谷的横坐标值。

峰的横坐标值如下表：
表6.1 加速电压与电流的关系图的峰横坐标记录表
第二个峰X3第三个峰X5第四个峰X7第五个峰X9
2.90 4.08 5.25 6.46
表6.2 加速电压与电流的关系图的锋横坐标记录表
第二个谷X4第三个谷X6第四个谷X8第五个谷X10
3.52
4.66
5.84 7.04
算出氩原子的第一激发电位。

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2E 和1E 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0U 的电场作用下获得能量0eU ，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G 2之间加电场使电子加速。

在G 2与接收极A 之间有一反电压。

当电子通过KG 2空间，进入G 2A 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G 2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G 1，构成四极管。

把KG 2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。

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U 0（对氩原子U 0=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U 0（实验中U>U 0），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U G2A 而到不了A 极板，因此这时板流Ip 是很小的。

随着U G2K 的增加，电子与原子的非弹性碰撞区域将向阴极方向移动。

一、实验背景弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家W.弗兰克和G.赫兹于1914年进行的，该实验旨在研究电子在电场作用下的运动规律，并证明原子能级的存在。

实验通过测量电子与原子碰撞时的能量交换，揭示了原子内部结构的量子化特性。

二、实验目的1. 测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在；2. 加深对量子化概念的认识；3. 学习电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

三、实验原理1. 原子能级理论：根据玻尔理论，原子只能长时间地处于一些稳定的状态，称为定态。

原子在这些状态时，不发射或吸收能量；各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。

原子的能量只能从一个定态跃迁到另一个定态。

2. 电子与原子碰撞：当电子在电场作用下加速时，会获得动能。

当具有一定能量的电子与原子碰撞时，会发生能量交换。

若电子传递给原子的能量恰好等于原子从一个定态跃迁到另一个定态所需的能量，则原子会被激发。

3. 激发电势：原子从一个定态跃迁到另一个定态所需的能量称为激发电势。

在本实验中，测量氩原子的第一激发电势，即从基态跃迁到第一激发态所需的能量。

四、实验装置1. 夫兰克-赫兹管：由阴极、阳极、栅极和充有氩气的真空管组成。

阴极发射电子，阳极接收电子，栅极控制电子流。

2. 加速电压：通过调节加速电压，使电子在电场作用下获得不同动能。

3. 电流计：测量电子流过夫兰克-赫兹管时的电流。

4. 数据采集系统：用于记录电流与加速电压的关系。

五、实验步骤1. 将夫兰克-赫兹管接入实验电路，调整加速电压，使电子获得不同动能。

2. 测量电子流过夫兰克-赫兹管时的电流，记录数据。

3. 改变加速电压，重复步骤2，得到一系列电流与加速电压的关系曲线。

4. 分析数据，确定氩原子的第一激发电势。

六、实验结果与分析1. 实验结果显示，电流与加速电压的关系曲线呈阶梯状。

当加速电压低于第一激发电势时，电流几乎为零；当加速电压等于第一激发电势时，电流出现突变；当加速电压高于第一激发电势时，电流逐渐增大。