赫茲實驗裝置目的

Ⅰ 夫蘭克赫茲實驗燈絲電壓對I(A)-U(G2K)圖像的影響

夫蘭克-赫茲實驗【實驗目的】本實驗通過對氬原子第一激發電位的測量，了解夫蘭克和赫茲在研究原子內部能量問題時所採用的基本實驗方法；了解電子與氬原子碰撞和能量交換過程的微觀圖象和影響這個過程的主要物理因素，進一步理解玻爾理論；學慣用計算機採集和處理數據。【實驗原理】根據玻爾的原子理論，原子只能處於一系列不連續的穩定狀態之中，其中每一種狀態相應於一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)，這些能量值稱為能級。最低能級所對應的狀態稱為基態，其它高能級所對應的態稱為激發態，如圖1所示。當原子從一個穩定狀態過渡到另一個穩定狀態時就會吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定於原子所處兩定態能級間的能量差，並滿足普朗克頻率選擇定則：（為普朗克常數）本實驗是通過具有一定能量的電子與原子碰撞，進行能量交換而實現原子從基態到高能態的躍遷。 本實驗採用充氬的夫蘭克-赫茲管，基本結構見圖2。電子由陰極發出，陰極和第一柵極之間的加速電壓及與第二柵極之間的加速電壓使電子加速。在板極和第二柵極之間可設置減速電壓，注意：第一柵極和陰極之間的加速電壓約1.5伏的電壓，用於消除陰極電子散射的影響。設氬原子的基態能量為，第一激發態的能量為，初速為零的電子在電位差為的加速電場作用下，獲得能量為，具有這種能量的電子與氬原子發生碰撞，當電子能量時，電子與氬原子只能發生彈性碰撞，由於電子質量比氬原子質量小得多，電子能量損失很少。如果，則電子與氬原子會產生非彈性碰撞，氬原子從電子中取得能量ΔE，而由基態躍遷到第一激發態，。相應的電位差即為氖原子的第一激發電位。在實驗中，逐漸增加，由電流計讀出板極電流，得到如圖3所示的變化曲線。【現象解釋】1、夫蘭克-赫茲實驗中曲線的解釋如果我們先不考慮陰極K發射的熱電子具有一定的初始能量分布，則：當加速電壓時，電子在、空間被加速而獲得的能量很低，穿過柵極的電子不能克服拒斥電壓到達板極，因而（如圖3的0o段）。當時，電子在、空間與氬原子將發生彈性碰撞，碰撞後電子只改變運動方向而無能量損失。因而能夠穿過柵極到達板極，且板極電流隨著的增大而增大（如圖3所示oa段）。當時，電子在柵極附近與氬原子將發生非彈性碰撞，碰撞後電子能量損失耗盡，全部交給氬原子，使氬原子最外層電子躍遷到第一激發態。這些電子因損失能量不能克服拒斥電壓，故板極電流將開始減小（如圖3所示a處）。當時，在接近柵極但未到柵極處，電子已經獲得了的能量，若跟氬原子碰撞將發生非彈性碰撞，電子交出能量使氬原子發生第一激發態的躍遷。碰撞後電子在到達柵極前還要加速一段，獲得的動能。此時電子能量不能克服，不會到達極板，且由於的增加，與氬原子發生碰撞的電子會越來越多，故電流將會繼續減小（如圖所示3所示ab段）。當時，電子再次加速獲得的能量，此時電子有足夠的動能可以克服拒斥電壓到達陽極，隨著的增加，與氬原子發生碰撞後，到達陽極板的電子會越來越多，故電流將會隨著再次增加（如圖3所示bc段）。當時，在、空間的中部電子已經獲得了的能量，此時若跟氬原子碰撞，電子將交出能量使氬原子躍遷。碰撞後，電子加速到柵極時再次獲得了的能量，這時若跟另外一個氬原子碰撞，電子將再次交出能量使這一個氬原子從基態躍遷到第一激發態。經過兩次碰撞後電子損失能量不能克服拒斥電壓，板極電流開始減小（如圖3所示c處）。再往後重復以上過程。由此可見：（1）、凡當，即加速電壓等於氬原子第一激發電位的整數倍時，板流都會相應下跌，形成規則起伏的伏安曲線。（2）、任何兩個相鄰峰間的加速電位差都應是氬原子的第一激發態電位。所以，只要測出夫蘭克-赫茲曲線，即可求出氬原子的第一激發電位，並由此證實原子確實有不連續的能級存在。2、實驗中的一些其它現象（1）、接觸電位差的影響。實際的F—H管，其陰極與採用不同的金屬材料製成，它們的逸出功不同，因此會產生接觸電位差。接觸電位差的存在，使真正加在電子上的加速電壓不等於，而是與接觸電位差的代數和。使得整個曲線平移。（2）、由於陰極發射電子後，在陰極表面積聚了許多的電子。這些空間電荷的存在改變了、間的空間電位分布。當較小時，陰極附近會出現負電位，稱為虛陰極。負電位的絕對值隨的增大而減小。值較大時，虛陰極消失。虛陰極的存在使得曲線的前幾個峰（2到3個）的峰間距減小，而對後面的峰無影響。燈絲電壓越高，陰極發射的電子流越大，空間電荷的影響越嚴重。（3）、因為極發出的熱電子能量服從麥克斯韋統計分布規律，因此圖中的板極電流下降不是陡然的。在極大值附近出現的峰有一定寬度。（4）、當較大時，由於部分電子自由程大，可積累較多的能量。使氬原子躍遷到更高的激發態，甚至使氬原子電離。（5）、電離的發生引起電子繁流，產生電流放大作用。隨著的增大，電子繁流迅速增長，使得曲線各峰高度迅速增加。但超過一定值時，將導致管內氣體擊穿，應避免發生這種情況，否則將使管損壞。【實驗裝置】ZHY-FH-2智能夫蘭克-赫茲實驗儀的實驗裝置如圖4所示：【實驗內容】（1）、用手動方式、計算機聯機測試方式測量氬原子的第一激發電位，並做比較。（2）分析燈絲電壓、拒斥電壓的改變對F—H實驗曲線的影響。（3）了解計算機數據採集、數據處理的方法。 【操作步驟】（1）正確認識電路連接及原理；（2）啟動預熱；（註：預熱開始，就必須設定好以下幾個值：V燈、VG1K、VG2A，根據儀器給定參數設定，VG2K=30v）（3）正式測量；手動測試；聯機測試。 【注意事項】1、 不許拔下儀器前面板上的導線，進行違規連接，以免發生短路，損壞儀器。2、 在設定各電壓值時，必須在給定的量程或范圍之內設值，如果超出范圍，可能會導致燒壞儀器。【數據處理】計算VC的公式為：相對誤差： 【思考與討論】1、能否用氫氣代替氬氣？為什麼?2、為什麼I-U曲線不是從原點開始?3、為什麼 I不會降到零?4、為什麼I的下降不是陡然的?5、在F-H實驗中，得到的I-U曲線為什麼呈周期性變化？6在F-H管內為什麼要在板極和柵極之間加反向拒斥電壓？7、在F-H管的I-U曲線上第一個峰的位置，是否對應於氬原子的第一激發電位？

Ⅱ 弗蘭克-赫茲實驗相關問題

在丹麥物理學家玻爾（N.Bohr）開創性地發表原子定態躍遷的量子理論後的第二年(1914年)，德國物理學家弗蘭克（J.Frank）和赫茲（G.L.Hertz）在研究低能電子和原子的相互作用時發現，當電子和原子發生非彈性碰撞時，電子會把特定大小的能量轉移給原子並使之受激，由此證明了原子內部量子化能級的存在。同一年，在使用石英製作的F-H管中，拍攝到了對應汞原子激發所需的最低能量的光譜線，由此驗證了玻爾理論中的頻率法則。1920年，弗蘭克及其合作者又在改進的裝置中測得了原子的亞穩能級和較高的激發能級，進一步證實了原子具有離散能級的概念。顯然，他們的實驗為玻爾理論提供了獨立於光譜研究方法的直接而有力的實驗依據，為此他倆榮獲1925年度的諾貝爾物理學獎，至今他們的實驗方法仍是探索原子結構的重要手段之一。【實驗目的】1．測定汞原子的電離電勢。2．測定汞原子的第一激發電勢，證明原子能級的存在。3．通過本實驗，了解實驗中的宏觀量是如何與電子和原子碰撞的微觀過程相聯系，並進而用於研究原子的內部結構（通過本實驗了解弗蘭克-赫茲實驗的物理思想和方法）。【實驗原理】根據玻爾提出的量子理論，原子處於一系列不連續的能量狀態，這些狀態稱為定態，具有確定的能量值。原子從一個定態向另一個定態的躍遷常伴隨著電磁波（光）的吸收或輻射，光的頻率取決於發生躍遷的二個定態En、Em之間的能量差，由能量守恆定律可得如下頻率法則式中h為普朗克常量。在正常情況下，絕大部分原子處於基態（最低能態），當原子吸收電磁波或受到其它具有足夠能量的粒子的碰撞時，可由基態躍遷到能量較高的一系列激發態。從基態躍遷到第一激發態的所需的能量稱為臨界能量，為最低能量；從基態到電離所需的能量稱為電離能量，為最高能量。弗蘭克及赫茲就是利用了低能電子和原子碰撞時交換能量的規律來研究原子的能級結構的。1．關於激發電勢本實驗用電場加速電子，並使之與稀薄氣體的汞原子發生碰撞。初速度為零的電子在電勢為U的加速電場作用下將獲得能量eU，當此能量小於汞原子激發的臨界能量時，電子與汞原子的碰撞為彈性碰撞。由於電子的質量遠小於汞原子的質量，故碰撞後，電子的能量幾乎沒有損失。如果碰撞時電子的能量大小汞原子激發所需的臨界能量，汞原子就會有一定的概率從電子那裡獲得能量，並從基態E1躍遷到第一激發態E2，也即電子和汞原子發生了非彈性碰撞，電子損失特定大小的能量E2-E1 = eU0，汞原子獲得此能量並躍遷到高一級能態，這個電勢差U0稱為汞原子的第一激發電勢，測出U0就可以求出汞原子的基態和第一激發態之間的能量差。實驗中電子和原子的碰撞是在密封的玻璃管子內進行的，管子密封前抽真空後充汞（或其它物質），管中裝有陰極、柵極和板極（陽板），這種實驗用的真空三極體稱為弗蘭克-赫茲管（F-H管）。現在四極的F-H管也很普遍，常用以測量汞（或其它）原子的一系列較高的激發能級，於此我們僅說明三極的F-H管的工作原理。圖5.11-1 弗蘭克-赫茲實驗原理圖 圖5.11-2 IA~UGK 曲線
弗蘭克-赫茲實驗的工作原理如圖5.11-1所示，F-H管放在溫控加熱爐中，溫控器可使實驗溫度在80~220℃取值，在實驗溫度下，管中的部分汞由液態轉化氣態，電子由熱陰極發出，並由陰極K和柵極G之間的可調電壓UGK加速而獲得能量。在測量汞原子的第一激發電勢時，開關接通a端（相當於微電流測量放大器面板上的「工作狀態」開關撥向「R」檔），實驗溫度應大於130℃，電子向柵極過程中將不斷與氣體原子發生碰撞。實驗裝置的巧妙之處在於收集電子的板極A與柵極G之間設置了一個2V左右的反向電壓，稱為拒斥電壓UGA，此電壓對在K-G空間內與汞原子發生碰撞的電子進行篩選，經過碰撞通過柵極進入GA之間的電子，其剩餘動能必須大於eUGA才能克服電場的阻力到達板極A而形成電流，這樣板極電流（板流）IA的大小就同電子在與氣體原子碰撞過程中的能量損失聯系起來了。實驗時，逐漸增加柵極和陰極之間的柵極（加速）電壓UGK，測量板流IA隨UGK的變化，可得如圖5.11-2所示的IA~UGK曲線。該曲線的明顯特徵是隨UGK的增加，板流IA總體上是逐漸增加的，但清楚地顯示出一系列極大值和極小值，並且各極大值或極小值之間的間隔均在4.9V左右。下面我們對上述曲線形狀以及影響曲線各因素進行說明。加速電壓UGk從零剛開始升高直到接近於汞原子的第一激發電勢U0時，由於電子與汞原子的碰撞為彈性碰撞，電子幾乎不損失能量，板流IA隨UGK的升高而升高。當UGK的等於或稍大於U0時，開始有部分電子在柵極附近與汞原子發生非彈性碰撞，並把幾乎全部的能量交給汞原子使之激發，這些損失了能量的電子不能克服拒斥電壓阻擋而折回到柵板，從而使板流IA開始變小。繼續增加UGK，更多的電子與汞原子發生了非彈性碰撞並損失eU0的能量，由於拒斥電壓的陰擋，這些損失了能量的電子都不能到達板極形成電流，故板流IA繼續變小。直到UGK≥U0+UGA時，才開始有部分通過非彈性碰撞的電子有稍大於eUGA的剩餘動能，並能克服拒斥電壓阻檔到達板極，也即此時板流IA開始上升。當UGK≥2U0時，部分電子有可能在K-G空間中歷經二次非彈性碰撞（此時第一次非彈性碰撞顯然不在柵極附近）而耗盡能量，板流IA出現第二次下降；當UGK≥2U0+UGA時，損失了2eU0能量的電子開始有部分因具有足夠的能量到達板極，從而板流IA又開始上升。類似地，就得到了多峰（谷）的IA~UGK曲線，如圖5.11-2所示。峰值處的電壓UGK近似地等於nU0，谷值處的電壓UGK近似地等於nU0+UGA，峰（谷）間的距離剛好均為U0。如此周期性變化曲線的出現，表明原子和電子發生非彈性碰撞時，原子吸收的能量是一定的，也即原子內部存在著量子化的能級。從上述分析，我們也可以理解拒斥電壓UGA對IA~UGK曲線有很大的影響：UGA偏小時，起不到對經歷非彈性碰撞的熱電子的篩選作用，導致極小值太大，峰谷差值也將變小；UGA偏大時，大部分電子將會被篩選掉，導致極大值太小，峰谷現象不明顯。實驗表明，UGA取適中值2V左右為好。需要指出的是：各電子的能量在任何時刻都不是完全相等的，而是按一定的統計規律分布的，電子和原子的碰撞也是個偶然的微觀事件，由於原子在與足夠能量的電子發生碰撞時被激發到某一能態上的概率既與此激發態的能級大小有關，也與碰撞電子的能量大小有關。例如，當電子的能量稍大於eU0時，汞原子被激發到第一激發態的概率很大，而激發到其它能級上的概率為零；當電子的能量明顯大於eU0，汞原子被激發到第一激發態的概率明顯變小，而激發到其它允許能態的概率明顯增大；當電子的能量大於汞原子的電離能量時，碰撞的結果主要是使汞原子電離，當然，其它許多允許的事件，仍有不等的一定的概率發生。我們還必須注意到，電子在從陰極運動到柵極的過程中，由於與汞原子頻繁的碰撞，使得其沿KG方向迂迴曲折地前進。容易理解，電子的加速過程（獲得能量的過程）是以其自由程為間隔分段進行的，而電子的平均自由程與汞原子數密度有關。當溫度升高時，飽和汞蒸氣原子數密度明顯增加，電子的平均自由程很小，碰撞頻率很大。需要記住的是，即使是彈性碰撞，電子與汞原子碰撞時仍約有10-5的原有能量的損失，不要小視這個數，因為電子的平均自由程也很小（10-7~10-5m），電子只有在一個自由程內從電場中獲得的能量大於它經歷一次彈性碰撞所損失的能量，才有可能積累到足夠的能量。因此要使汞原子被激發，飽和氣體的溫度不能太高，電場不能太小。當溫度適宜時（一般在140~220℃），電子積累的能量可以大於eU0的能量。但此時，由於自由程較小以及與汞原子頻繁的（非）彈性碰撞，電子很難有機會達到遠大於eU0的能量。當溫度低至70~90℃時，由於電子平均自由程的明顯增加，部分電子可能會積聚更大的能量去激發汞原子到更高能級，甚至使其電離。由此可見，實驗中使F-H管維持在一定的溫度是非常重要的。需要特別指的是：由於陰極發射的熱電子的初動能大於零，陰極與柵極由於材料不同而存在的接觸電勢差，使整個IA~UGK曲線發生了偏移，各個峰（谷）不在原定之處，但任兩個相鄰峰（谷）之間的間距依舊為U0。實際上，由於汞原子亞穩態能級的存在，以及原子的順次（逐級）激發（即處於激發態的原子在退激之前與電子再次發生非彈性碰撞並被激發到更高能級）、光電效應、光致激發和光致電離的存在，使得整個過程變得很復雜，同時也使相當一部分的汞原子被激發到更高的能級甚至被電離。在能量交換頻繁的若干區域中將見到一個個淡藍色光環，它明顯地反映出了汞的光譜特性。這是那些被激發到高能級上的汞原子返回低能態時所輻射的可見光。當然，實驗室用的F-H管大多是玻璃的，它對紫外線是不透明的，所以無法攝到對應臨界能量的紫外光，其波長 nm。但弗蘭克-赫茲用能透過紫外光的石英製作的F-H管進行實驗時發現，當加速電壓UGK小於4.9V時無任何輻射現象，當UGK稍大於4.9V時，汞輻射了，而且輻射的譜線正是波長為2.5×102nm的紫外光。最後我們指出，燈絲電壓對曲線影響也較大：燈絲電壓過大，導致陰極溫度偏高，陰極發射的電子數過多，這將會使微電流放大器飽和，引起IA~UGK曲線阻塞，同時也使F-H管更易全面擊穿；燈絲電壓過小，參加碰撞的電子數太少，造成曲線峰谷很弱。實驗中一般取燈絲電壓為6.3V左右。2．關於電離電勢當電子的能量達到或超過汞原子的電離能WZ = eUZ（UZ稱為原子的電離電勢）時，與汞原子碰撞的結果將使汞原子電離，利用F-H管測量汞原子電離電勢的方法有兩種，我們僅介紹離子流探測法。圖5.11-3 離子電流IA~UGK曲線離子流探測法的工作原理如圖5.11-1所示，此時開關K撥向b端（相當於微電流測量放大器面板上「工作狀態」開關拔向「I」檔），扳極A相對陰極K處於負電勢。從陰極出來的電子加速運動至柵極後受到更大數值的減速電壓的阻擋而到不了板極A，只有帶正電的粒子才有可能到板極A而形成離子電流IA。此時爐溫需降至80~90℃，汞原子數密度很小，電子的平均自由程很大，從陰極出來的部分經歷碰撞最少的電子在加速電壓UGK的作用下將獲得能量eUGK，當此能量達到或超過汞原子的電離能WZ時，將使汞原子發生電離，板極收集到離子流。由於電離是雪崩式的，無控制時離子流隨UGK的增加而迅速增大，實驗結果大致如圖5.11-3所示，曲線的拐點處即為電離電勢，汞的電離電勢約在10.4V左右。【實驗儀器】FH-1A型弗蘭克-赫茲實驗儀一套：包括加熱爐、弗蘭克-赫茲管及微電流測量放大器等。【實驗內容】1．預熱和調整（1）將裝有充汞F-H管的溫控加熱爐接通電源，選擇一定的爐溫（由實驗室定），調好溫控旋鈕，預熱15~30分鍾，以得到合適的汞蒸汽密度。（2）同時接通微電流測量放大器電源，進行預熱。將儀器的「柵壓選擇」開關撥向「M」（鋸齒波自動掃描電壓），此時電壓表指針會緩慢上升到某值時突然變小並重新再緩慢上升。然後將「柵極電壓Ug」旋鈕逆時針旋至最小，把「柵壓選擇」開關撥向「DC」，待預熱20分鍾後，將「工作狀態」撥向「R（激發）」，對電流表進行「零點」和「滿度」校準。調零與滿度之間略有牽連，故需反復調節。（3）用萬用表調節UGA，使其為直流2.2V左右，記下UGA。（4）把「柵極電壓Ug」旋鈕至最小，「柵壓選擇」和「工作狀態」撥向「0」，用隨機所附專用連接線通測量放大器加熱爐面板上各對應電極（注意！絕不能讓G、K、H接反或短路），並用萬用表檢查K、H的燈絲電壓是否為交流6.3V.2．測量汞原子的電離電勢UZ待加熱爐穩定在所需溫度（約８０℃），微電流測量放大器工作穩定，弗蘭克－赫茲管充分預熱後，即可先進行電離電勢的逐點測量。（１）先進行粗略觀察。「工作狀態」撥向「Ｉ（電離）」，「倍率」檔為×10-5，旋動「柵壓調節」旋鈕，緩慢增大UGK的數值，全面觀察一次IA的變化情況。當電流IA變化明顯（注意「倍率」檔的更換）且從加熱爐玻璃窗口看到爐內Ｆ-H管的K-G空間開始出現淡淡的藍色輝光時，表示管內汞原子已經電離，此時，不可再增大UGK以免過度電離（過度電離時F-H管的發出強烈的藍光）導致管子嚴重受損，應立即將其調小至零。（2）再從零起仔細調節UGK，測量並記錄一系列UGK對應的IA值。當電流明顯變化時，測量結束，將「柵極電壓Ug」調至最小。注意在電流開始變化處多測幾個點，以便能比較精確地找出曲線的折拐點。3．測量汞原子的第一激發電勢U0測定電離電勢後，將「工作狀態」開關撥向「R（激發）」，再調節加熱爐的溫控開關，使爐溫升至180℃，待其穩定後，即可進行激發電勢測量。（1）先進行全面觀察。暫將「倍率」撥到×10-6或×10-5檔，緩慢增加UGK的值，全面觀察一次IA的變化情況。注意要及時更換倍率以適應電流變化。（2）測量IA～UGK曲線。使UGK從零起緩慢增加，記錄下電流IA及對應UGK（即Ug）的電壓值，特別地，應認真找到並讀出IA的峰谷值及對應的各個UGK值，為便於作圖，在各峰谷值附近應多測幾個點，記下各測試條件。（3）分別改變爐溫（如140℃、220℃）或（稍許）改變拒斥電壓的大小，再測幾條IA～UGK曲線的影響。4．用示波器觀察IA～UGK圖形（本實驗內容可根據實驗室情況選作）（1）將示波器的Y軸接到微電流測量放大器後蓋輸出端，Y軸增益用「×1」檔，掃描速度要慢些。（2）爐溫要升到200℃以上，以免F-H管嚴重擊穿。（3）放大倍率用×10-4或10-3檔，即電表的靈敏度不需太高。（4）將「柵壓選擇」撥向「M」，即可在示波器屏上看到IA~UGK圖線，記錄波形與逐點測量的圖線比絞（掃描時間要盡可能短）。5．用X～Y函數記錄儀描繪IA～UGK曲線（本實驗內容可根據實驗室情況選作）（1）將連示波器的開關倒向接記錄儀的輸入端，記錄儀的X軸接到微電流放大器的GK端，記錄儀的Y軸量程取5mV/cm，X軸量程取5V/cm。（2）函數記錄儀預熱後，用鋸齒波電壓掃描（掃描時間要盡可能短，以免F-H管被嚴重擊穿），即可在記錄紙上繪出完整的IA～UGK曲線。【數據處理】1．求出汞原子的電離電勢UZ根據測量結果作出離子電流IA隨加速電壓UGK變化的曲線，並由曲線的折拐點求出汞原子的電離電勢。2．求出汞原子的第一激發電勢U0根據測量結果繪制電子電流IA隨柵極電壓UGK變化的曲線圖,由曲線的峰、谷值並根據逐差法分別求出相鄰峰、谷間電壓的平均值，兩者再平均求出汞原子的第一激發電勢U0的測量結果。【注意事項】1．在測量過程中，當IA迅速增大時或F-H管出現強烈藍光時，要立即減小UGK至零。2．加熱爐外殼溫度較高，注意避免灼傷。3．由於爐內溫度場不均勻，溫度計的水銀泡必須與F-H管的柵陰極中段相齊。4．爐溫過低時，不可加燈絲電壓和柵極電壓。5．若想測出IA～UGK曲線的第一個峰谷值，爐溫宜低（約140℃），但要注意此時F-H管易於全面擊穿。6、實驗完畢，須將「柵壓選擇」和「工作狀態」開關置「0」，「柵壓調節」旋至最小，暫不拆除K、H、G連接線，不要切斷微電流放大器的電源。應先切斷加熱爐電源，並小心旋松加熱爐面板，使其快速冷卻，待溫度降至120℃以下後，才能切斷放大器及各種連線，以延長管子壽命。【預習思考題】1、設汞原子的第一激發電勢為4.9V，則能量分別為4.0eV和5.2eV的電子與汞原子發生碰撞時各損失多少能量？2、拒斥電壓是如何影響IA～UGK曲線的？3、汞的電離電勢宜在90℃±10℃附近測量，為什麼？4、當溫度較高時，IA～UGK曲線的第一個峰谷不易出現，為什麼？5、弗蘭克-赫茲管的陰極與柵極之間的接觸電勢差對IA～UGK曲線及電離電勢的測定有何影響？怎樣由實驗結果估計其大小？【分析討論題】1、在測量汞原子的第一激發電勢時，觀察淡藍色光環的特徵以及與UGK的關系並說明為什麼？2、IA～UGK曲線的谷值一般均不為零，且隨加速電壓UGK的增加而增大，這是由於各種原因使原子電離形成本底電流的緣故。試根據實驗結果說明本底電流與UGK的關系以及對峰谷值測量的影響？如何消除這種影響？3、由汞原子的電離電勢和第一激發電勢，求出汞原子基態和第一激發態的能量值。

Ⅲ 麥克斯韋電磁理論和赫茲實驗的意義是什麼

自人們發現電現象、磁現象、電磁感應現象以來，對電、磁和電磁感應現象進行了深入廣泛的研究，發現了電磁之間的關系及其規律，形成了完整、系統的電磁理論。電磁理論促進了科學技術的發展，有力的推動了社會的進步。電磁理論認為：變化著的電場伴隨變化著的磁場，變化著的磁場也伴隨變化著的電場。
中文名
電磁理論
外文名
Electromagnetic theory
提出者
詹姆斯•麥克斯韋

Ⅳ 弗蘭克赫茲實驗說明了什麼

1914年，弗蘭克（James Franck，1882~1964）和赫茲(Gustar Hertz,1887~1975)在研究中發現電子與原子發生非彈性碰撞時能量的轉移是量子化的。他們的精確測定表明，電子與汞原子碰撞時，電子損失的能量嚴格地保持4.9eV，即汞原子只接收4.9eV的能量。
這個事實直接證明了汞原子具有玻爾所設想的那種「完全確定的、互相分立的能量狀態」，是對玻爾的原子量子化模型的第一個決定性的證據。由於他們的工作對原子物理學的發展起了重要作用，曾共同獲得1925年的物理學諾貝爾獎 。
在本實驗中可觀測到電子與汞蒸汽原子碰撞時的能量轉移的量子化現象，測量汞原子的第一激發電位，從而加深對原子能級概念的理解。
弗蘭克－赫茲實驗為能級的存在提供了直接的證據，對玻爾的原子理論是一個有力支持。弗蘭克擅長低壓氣體放電的實驗研究。1913 年他和G.赫茲在柏林大學合作，研究電離電勢和量子理論的關系，用的方法是勒納德（P.Lenard ）創造的反向電壓法，由此他們得到了一系列氣體，例如氦、氖、氫和氧的電離電勢。後來他們又特地研究了電子和惰性氣體的碰撞特性。

Ⅳ F-H實驗分為手動擋和自動擋兩部分,其目的分別是什麼弗蘭克赫茲實驗

增加駕駛樂趣

Ⅵ 夫克蘭赫茲實驗儀器預熱10分鍾的目的是什麼

弗蘭克赫茲實驗誤差來源如下：
1、由於預熱不足，使測量值產生誤；
2、實驗時，由於電壓的步差不可能連續，故測量的峰值會有一定的誤差
3、儀器老化，本身存在一定的誤差
4、畫出氬的IP-VG2曲線是一個比較粗糙的過程，存在誤差
(6)赫茲實驗裝置目的擴展閱讀：
弗蘭克—赫茲實驗證明原子內部結構存在分立的定態能級。這個事實直接證明了汞原子具有玻爾所設想的那種「完全確定的、互相分立的能量狀態」，是對玻爾的原子量子化模型的第一個決定性的證據。
類似弗蘭克—赫茲實驗的其它氣體效應：
氖氣體也會發生類似的行為模式，可是電壓間隔大約是 19 伏特。程序是相同的，只有閾值不同。當電壓在 19 伏特時，在柵極附近，氖氣體會發光。激發的氖原子會發射橘紅色光線。越增加電壓，自由電子越早累積到足夠的動能 19eV，發光處會離陰極越近。
當電壓在 38 伏特時，在氖氣體管里會有兩個發光處。一處在陰極與柵極中間，一處在柵極附近。電壓加高，每增加 19 伏特，就會多形成一個發光處。

Ⅶ 如何看待赫茲實驗室

「赫茲實驗室」所說的：不錄用四川大學畢業生，的確有些過於「狂妄」。

其實該公眾號不止一次被錘，今年3月份被爆疫情期間賣慘吸得一波粉絲，然後開始做微商騙粉絲錢未發貨，數額達數十萬元，已構成詐騙犯罪，至今未果（見鏈接），而他卻卷土重來，化身公眾平台中最理智的判官之一，成功洗白。

這次抄襲川大學生所創公眾號（常識）2018年所發推文的事實，被其手撕後狗急跳牆，開始舞文弄墨，奪得自家粉好評連連，可謂是三觀盡毀，毫無良知。不得不說其顛倒是非的技藝實屬高超。

(7)赫茲實驗裝置目的擴展閱讀

這種「回應」的方式本身，就是一種訴諸虛偽的邏輯謬誤。不正面回應對方的質疑，反而用批評對方「你也曾經錯了」來回復。這種邏輯謬誤，表面上是在暗示，你是一個虛偽的人，沒有資格批評我。但本質上，是在為自己開脫，是在迴避對方的批評，不敢正面回應對方的問題。

而指控常識的內容「合理化MC浴室」，也是一種稻草人謬誤。歪曲對方的觀點，讓自己的「指控」顯得合理，讓自己能夠更加輕松地攻擊別人。赫茲指控的「合理化」MC浴室，全都是受訪者的觀點，並不是常識公眾號的觀點。

Ⅷ 弗蘭克赫茲實驗分為手動和自動兩部分 其目的分別是什麼

嗎，看，

Ⅸ 弗蘭克—赫茲實驗的實驗內容

弗蘭克—赫茲管（簡稱F—H管）、加熱爐、溫控裝置、F—H管電源組、掃描電源和微電流放大器、微機—Y記錄儀。
F—H管是特別的充汞四極管，它由陰極、第一柵極、第二柵極及板極組成。為了使F—H管內保持一定的汞蒸氣飽和蒸氣壓，實驗時要把F—H管置於控溫加熱爐內。加熱爐的溫度由控溫裝置設定和控制。爐溫高時，F—H管內汞的飽和蒸氣壓高，平均自由程較小，電子碰撞汞原子的概率高，一個電子在兩次與汞原子碰撞的間隔內不會因柵極加速電壓作用而積累較高的能量。溫度低時，管內汞蒸氣壓較低，平均自由程較大，因而電子在兩次碰撞間隔內有可能積累較高的能量，受高能量的電子轟擊，就可能引起汞原子電離，使管內出現輝光放電現象。輝光放電會降低管子的使用壽命，實驗中要注意防止。
F—H管電源組用來提供F—H管各極所需的工作電壓。其中包括燈絲電壓UF，直流1V～5V連續可調；第一柵極電壓UG1，直流0～5V連續可調；第二柵極電壓UG2，直流0～15V連續可調。
掃描電源和微電流放大器，提供0～90V的手動可調直流電壓或自動慢掃描輸出鋸齒波電壓，作為F—H管的加速電壓，供手動測量或函數記錄儀測量。微電流放大器用來檢測F—H管的板流，其測量范圍為10^-8A、10^-7A、10^-6A三擋。
微機X—Y記錄儀是基於微機的集數據採集分析和結果顯示為一體的儀器。供自動慢掃描測量時，數據採集、圖像顯示及結果分析用。 玻爾的原子理論指出：①原子只能處於一些不連續的能量狀態E1、E2……，處在這些狀態的原子是穩定的，稱為定態。原子的能量不論通過什麼方式發生改變，只能是使原子從一個定態躍遷到另一個定態；②原子從一個定態躍遷到另一個定態時，它將發射或吸收輻射的頻率是一定的。如果用Em和En分別代表原子的兩個定態的能量，則發射或吸收輻射的頻率由以下關系決定：
hv=|Em－En|（1）
式中：h為普朗克常量。
原子從低能級向高能級躍遷，也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來實現。本實驗即讓電子在真空中與汞蒸氣原子相碰撞。設汞原子的基態能量為E1，第一激發態的能量為E2，從基態躍遷到第一激發態所需的能量就是E2－E1。初速度為零的電子在電位差為U的加速電場作用下具有能量eU，若eU小於E2－E1這份能量，則電子與汞原子只能發生彈性碰撞，二者之間幾乎沒有能量轉移。當電子的能量eU≥E2－E1時，電子與汞原子就會發生非彈性碰撞，汞原子將從電子的能量中吸收相當於E2－E1的那一份，使自己從基態躍遷到第一激發態，而多餘的部分仍留給電子。設使電子具有E2－E1能量所需加速電場的電位差為U0，則
eu0=E2－E1（2）
式中：U0為汞原子的第一激發電位（或中肯電位），是本實驗要測的物理量。
實驗方法是，在充汞的F—H管中，電子由熱陰極發出，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓UG2K使電子加速。第一柵極對電子加速起緩沖作用，避免加速電壓過高時將陰極損傷。在板極P和G2間加反向拒斥電壓UpG2。當電子通過KG2空間，如果具有較大的能量（≥eUpG2）就能沖過反向拒斥電場而達到板極形成板流，被微電流計pA檢測出來。如果電子在KG2空間因與汞原子碰撞，部分能量給了汞原子，使其激發，本身所剩能量太小，以致通過柵極後不足以克服拒斥電場而折回，通過電流計pA的電流就將顯著減小。實驗時，使柵極電壓UG2K由零逐漸增加，觀測pA表的板流指示，就會得出如圖2所示Ip～UG2K關系曲線。它反映了汞原子在KG2空間與電子進行能量交換的情況。當UG2K逐漸增加時，電子在加速過程中能量也逐漸增大，但電壓在初升階段，大部分電子達不到激發汞原子的動能，與汞原子只是發生彈性碰撞，基本上不損失能量，於是穿過柵極到達板極，形成的板流Ip隨UG2K的增加而增大，如曲線的oa段。當UG2K接近和達到汞原子的第一激發電位U0時，電子在柵極附近與汞原子相碰撞，使汞原子獲得能量後從基態躍遷到第一激發態。碰撞使電子損失了大部分動能，即使穿過柵極，也會因不能克服反向拒斥電場而折回柵極。所以Ip顯著減小，如曲線的ab段。當UG2K超過汞原子第一激發電位，電子在到達柵極以前就可能與汞原子發生非彈性碰撞，然後繼續獲得加速，到達柵極時積累起穿過拒斥電場的能量而到達板極，使電流回升（曲線的bc段）。直到柵壓UG2K接近二倍汞原子的第一激發電位（2U0）時，電子在KG2間又會因兩次與汞原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥電場，使板流第二次下降（曲線的cd段）。同理，凡 （3） 處，Ip都會下跌，形成規則起伏變化的Ip～UG2K曲線。而相鄰兩次板流Ip下降所對應的柵極電壓之差，就是汞原子的第一激發電位U0。
處於第一激發態的汞原子經歷極短時間就會返回基態，這時應有相當於eU0的能量以電磁波的形式輻射出來。由式（2）得
eU0=hν=h·c/λ（4）
式中：c為真空中的光速；λ為輻射光波的波長。
利用光譜儀從F—H管可以分析出這條波長λ=253.7（nm）的紫外線。
附：幾種常見元素的第一激發電勢(U0) 元素 鈉(Na) 鉀(K) 鋰(Li) 鎂(Mg) 汞(Hg) 氦(He) 氖(Ne) U0/V 2.12 1.63 1.84 3.2 4.9 21.2 18.6 1）測繪F—H管Ip～UG2K曲線，確定汞原子的第一激發電位
（1）加熱爐加熱控溫。將溫度計棒插入爐頂小孔，溫度計棒上有一固定夾用來調節此棒插入爐中的深度，固定夾的位置已調整好，溫度計棒插入小孔即可。溫度計棒尾端電纜線連接到「感測器」專用插頭上，將此感測器插頭插入控溫儀後面板專用插座上。接通控溫電源，調節控溫旋鈕，設定加熱溫度（本實驗約180℃），讓加熱爐升溫30min，待溫控繼電器跳變時（指示燈同時跳變）已達到預定的爐溫。
（2）測量F—H管的Ip～UG2K曲線。實驗儀的整體連接可參考圖3，將電源部分的UF調節電位器、掃描電源部分的「手動調節」電位器旋鈕旋至最小（逆時針方向）。掃描選擇置於「手動」擋。微電流放大器量程可置於10-7A或10-8A擋（對充汞管）。待爐溫到達預定溫度後，接通兩台儀器電源。根據提供的F—H管參考工作電壓數據，分別調節好UF、UG1、UG2，預熱3～5min。
（a）手動工作方式測量。緩慢調節「手動調節」電位器，增大加速電壓，並注意觀察微電流放大器出現的峰谷電流信號。加速電壓達到50V～60V時約有10個峰出現。在測量過程中，當加速電壓加到較大時，若發現電流表突然大幅度量程過載，應立即將加速電壓減少到零，然後檢查燈絲電壓是否偏大，或適當減小燈絲電壓（每次減小0.1V～0.2V為宜）再進行一次全過程測量。逐點測量Ip～UG2K的變化關系，然後，取適當比例在毫米方格紙上作出Ip～UG2K曲線。從曲線上確定出Ip的各個峰值和谷值所對應的兩組UG2K值，把兩組數據分別用逐差法求出汞原子的第一激發電位U0的兩個值再取平均，並與標准值4.9V比較，求出百分差。若在全過程測量中，電流表指示偏小，可適當加大燈絲電壓（每次增大0.1V～0.2V為宜）
（b）自動掃描方式測量。將「手動調節」電位器旋到零，函數記錄儀先不通電，調節「自動上限」電位器，設定鋸齒波加速電壓的上限值。可先將電位器逆時針方向旋到最小，此時輸出鋸齒波加速電壓的上限值約為50V，然後將「掃描選擇」開關撥到「自動」位置。當輸出鋸齒波加速電壓時，從電流表觀察到峰谷信號。鋸齒波掃描電壓達到上限值後，會重新回復零，開始一次新的掃描。在數字電壓表、電流表上觀察到正常的自動掃描及信號後，可採用函數記錄儀記錄。記錄儀的X輸入量程可置於5V/cm檔，Y輸入量程可按電流信號大小來選擇，一般可先置於0.1V/cm檔。開啟記錄儀，即可繪出完整的Ip變化曲線。 （1）實驗裝置使用220V交流單相電源，電源進線中的地線要接觸良好，以防干擾和確保安全。
（2）函數記錄儀的X輸入負端不能與Y輸入的負端連接，也不能與記錄儀的地線（⊥）連接，否則要損壞儀器。
（3）實驗過程中若產生電離擊穿（即電流表嚴重過載現象）時，要立即將加速電壓減少到零。以免損壞管子。
（4）加熱爐外殼溫度較高，移動時注意用把手，導線也不要靠在爐壁上，以免灼傷和塑料線軟化。

Ⅹ 夫蘭克赫茲實驗

夫蘭克-赫茲實驗被認為是對原子的玻爾模型的實驗證明，但有趣的是直到夫蘭克和赫茲發表了他們的實驗結果之後，他們才知道玻爾模型。這看起來是非常有趣的，夫蘭克後來解釋道：

We had not read it because we were negligent to read the literature well enough -- and you know how that happens. On the other hand, one would think that other people would have told us about it. For instance, we had a colloquium at that time in Berlin at which all the important papers were discussed. Nobody discussed Bohr's theory. Why not? The reasons is that fifty years ago, one was so convinced that nobody would, with the state of knowledge we had at that time, understand spectral line emission, so that if somebody published a paper about it, one assumed, Probably it is not right. So we did not know it.

當時的人們根本就不相信看上去復雜無比的原子光譜可能會被某個理論解釋，如果有人聲稱解釋了原子的發射譜線，當時的物理學家會本能地認為這個理論是錯誤的。

夫蘭克-赫茲實驗的裝置如下圖所示：

水銀（汞，Hg）蒸汽被放在真空管內，電子從陰極射出後，被電勢V加速，然後到達陽極，陽極是柵欄狀的，陽極後面還有一個微弱的反向電壓，反向電壓比加速電壓（V）弱的多，再後面是個集電極。（類似真空三極體，發射極，基極和集電極）

測量的是加速電壓（V）和通過集電極電流（I）之間的關系，實驗結果如下圖：

可見這里存在一個約4.9伏的周期，每4.9伏周期，集電極電流會周期性的變大，達到峰值，然後陡峭地變小。

這4.9伏的周期性可被玻爾模型所解釋。根據玻爾模型，原子中存在一系列的定態（stationary states），當原子由一個定態躍遷到另一定態時，可相應地吸收或放出一個光子，並滿足頻率關系（frequency relation）：。4.9伏的周期性說明在汞原子的第一激發態與基態間能量差是4.9eV。

當加速電壓處於0-4.9伏區間時，電子將獲得0-4.9eV的動能，電子可能與汞原子發生彈性碰撞或非彈性碰撞，如發生非彈性碰撞電子將損失部分能量，而汞原子將獲得部分能量。但根據玻爾模型，小於4.9eV的能量是不足以使汞原子發生躍遷的，因此只能發生彈性散射，電子在彈性散射的過程中並不損失能量，因此當電子達到陽極時具有大於0的動能，可以可以克服反向電壓達到集電極，因此表現為有電流，並且隨著加速電壓的增大，電流也相應增大。

當加速電壓正好為4.9伏時，電子具有4.9eV的動能，可與汞原子發生非彈性散射，汞原子被激發到激發態，電子損失4.9eV後動能為0，無法克服反向電壓，因此表現為電流急劇下跌。

當加速電壓達到兩倍4.9伏時，則有可能發生兩次電子與汞原子的非彈性散射，因此將出現第二個峰。如果繼續增大加速電壓，還可能出現更多的峰。如果電子能量大到足以把汞原子激發到更高激發態的能量，則可以出現不是4.9伏周期的峰。

觀察夫蘭克-赫茲實驗的實驗曲線，另一特徵是電流波谷取值是逐漸變大的，這可以解釋為總有部分電子未發生與汞原子的非彈性散射就到達了陽極，從而肯定會到達集電極。發生N+1次非彈性散射的幾率要小於只發生N次非彈性散射的幾率，因此隨著加速電壓的增大會有更多的電子以非零動能到達陽極，體現為電流波谷取值越來越高。

還可以考慮更多因素，比如無規則熱運動對夫蘭克-赫茲實驗曲線的影響，將使曲線更加圓滑等等。但這些已經屬於實驗中不太重要的細節了。

1925年夫蘭克和赫茲因夫蘭克-赫茲實驗共同獲得諾貝爾物理學獎。

參考

1. The Franck-Hertz experiment supports Bohr's model
2. Hyperphysics: The Franck-Hertz Experiment
3. The Nobel Prize in Physics 1925