2.5.1夫兰克-赫兹实验 试讲人：杨春宝.

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1 2.5.1夫兰克-赫兹实验 试讲人：杨春宝

2 原子内部能量的量子化，也就是原子的间隔能级的存在，除由光谱的研究可以推得外，还有别的方法可以证明.
在波尔理论发表的第二年，即1914年，夫兰克和赫兹用电子碰撞原子的方法使后者从低能级被激发到高能级，从而证明了能级的存在。

3 激发电势的测定 夫兰克和赫兹最初进行试验的仪器

4 电子由热阴极K发出。在K与栅极G之间加电场使电子加速,在G与接收极A之间有一0
电子由热阴极K发出。在K与栅极G之间加电场使电子加速,在G与接收极A之间有一0.5伏特的反电压,当电子通过KG空间,进入GA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 电子剩下的能量就可能很小 以致过栅C极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的降低。

5 最初进行研究的是汞汽 在玻璃容器中注入少量的汞 把空气抽出 维持适当温度 可以得到气压合适的汞汽 实验时 吧KG间电压逐渐增加 观察电流计的电流 这样就得到A极电流随KG间电压的变化情况 如图所示:
图中显示当KG间电压的变化情况 如图所示 图中显示当KG间电压由零逐渐增加时 A极电流起初上升 当电压达到4.1V时 电流突然下降 不久又上升 到9.0V时 电流又下降 然后再上升 到13.9V时 电流又下降

6 通过观察 这3个电流突然下降时的电压相差都是4.9V 而第一个和零相差为4.1V 这是为什么呢？

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8 我们可以作如下的合理解释 当KG间电压低于4
我们可以作如下的合理解释 当KG间电压低于4.9伏特时 电子在空间被加速而被加速而取得的能量较低 此时如果与汞原子碰撞 还不足以影响汞原子的内部能量 当KG间电压达到4.9伏特时 电子如果与汞原子在栅极G处相撞 有可能把获得的全部能量传给汞原子 这刚足够使后者从基态被激发到最近的一个能量较高的状态 这些电子即把全部能量给了原子 就没有能量留下 经过G后就不能克服反电势而达A极 所以A极电流下降 等到KG间电压超过4.9伏特较多时 电子与原子碰撞给出能量后 还留有足够能量可以克服反电势而达到A极 那时电流又开始上升 当KG间电压是二倍4.9伏特时 电子在KG区有可能经过两次碰撞而失去能量 因而又造成电流下降 同理KG间电压是三倍4.9伏特时 电子在KG区 有可能经三次碰撞而失去能量 因而电流再下降

9 电子被加速后获得的能量是eV. e是电子电量 V是加速电压 当e用库仑 V用伏特为单位时
电子被加速后获得的能量是eV.e是电子电量 V是加速电压 当e用库仑 V用伏特为单位时 .eV表示的能量是以焦耳为单位的 有一个方便的能量单位 称作电子伏特 1电子伏特是一粒电子经1伏特的电压加速后获得的能量 1eV=1.60×10-19库伦×1伏特=1.60×10-19焦耳

10 =2.5×103埃 实验中确观察到这个光谱线 测得波长是2357埃 与由激发电势算得的符合
上文所说的4.9v称作汞的第一激发电势 这一激发电势表示 一个电子被加速 经过那么一段电压的路径 电子就获得4.9伏特的能量 这一电子如果与汞原子碰撞 则刚刚能把后者从最低能级激发到最近的较高能级 如果汞原子从这个激发态又跃迁到最低能级 就应当有4.9伏特的能量放出 这时可能有光的发射 其波长可以计算出来: h ＝eV hc/ = 4.9×1.60×10-19焦耳 =2.5×103埃 实验中确观察到这个光谱线 测得波长是2357埃 与由激发电势算得的符合

11 较高的激发电势 夫兰克和赫兹把仪器稍作改进 又能测得较高的激发电势 这相当把原子激发到更高能级 改进后的仪器如图所示

12 图中显示有好多处电流下降 这些出现在KG1间电压为4. 68； 4. 9 ；5. 29；5. 78；6. 73V等值 其中4
图中显示有好多处电流下降 这些出现在KG1间电压为4.68； 4.9 ；5.29；5.78；6.73V等值 其中4.9V就是以前测得的第一激发电势 其他测得的激发电势中 只有3.73V有相应的光谱线被观察到 波长是1849埃 其余相当于原子被激发到一些状态 从那里很难发生自发跃迁而发出辐射 所以光谱中不出现相应的谱线 这些状态称为亚稳态 仔细观察 曲线

13 从以上叙述的实验已经可以看到 原子被激发到不同状态时 吸收一定数值的能量 这些数值不是连续的 足见原子的内部能量是量子化的 也就是说确实证实了原子能级的存在。
这里有几种元素的第一激发电势： 汞4.9V 钠2.12V 钾1.63V 氮2.1V

14 作业： 去实验室进行试验 探究对电离电势的测定