1、2022-7-211量子论实验原子能量量子化的观察与测量一、量子论实验的实验方法一、量子论实验的实验方法二、实验中的重点概念及物理图像二、实验中的重点概念及物理图像三、实验目的、任务三、实验目的、任务四、实验仪器、步骤、注意事项四、实验仪器、步骤、注意事项五、实验报告及数据处理要求五、实验报告及数据处理要求2022-7-21Dr.Prof.W.N.Pang2一、量子论一、量子论实验的实验方法2022-7-213 玻尔玻尔提出原子结构的量子理论后，1914年，弗兰克弗兰克(J JFranck)Franck)和赫兹和赫兹(G GHertz)Hertz)用慢电子轰击稀薄气体原子用慢电子轰击稀薄气体原
2、子(Hg)(Hg)，做原子电离电位测定时，发现了原子的激发能态激发能态和量子化的吸收现象，并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，从而直接证明了玻尔原子结构的直接证明了玻尔原子结构的量子理论，量子理论，为此他们获得了19251925年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖。19251925 弗兰克弗兰克-赫兹实验是赫兹实验是完全不同于光谱完全不同于光谱实验，实验，是从是从另一个角度另一个角度来证明原子存在来证明原子存在分立能级分立能级,并能测量出原子一些能级并能测量出原子一些能级。2022-7-21Dr.Prof.W.N.Pang4玻尔原子模型19131913年年二、二、实验中的重点概念及物理
3、图像实验中的重点概念及物理图像2022-7-2151 1、以实验为基础的原子、以实验为基础的原子 的核式结构模型；的核式结构模型；2 2、光谱的实验资料和经、光谱的实验资料和经 验规律；验规律；3 3、从黑体辐射的事实发、从黑体辐射的事实发 展出来的量子论。展出来的量子论。定态假设定态假设 频率规则频率规则玻尔理论基于的三个物理学基础玻尔理论基于的三个物理学基础玻尔玻尔 研究原子结构，提出原子理论研究原子结构，提出原子理论两个两个基本假设：基本假设：nmEEhsJh341063.62022-7-216波尔波尔1885年生于哥本哈根，1941年在哥本哈根大学毕业，获博士学位。1961年任哥本哈根
4、大学理论物理学教授，1962年起担任哥本哈根大学理论物理研究所所长。曾任丹麦皇家科学院院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。科学活动：科学活动：发展原子、分子和原子的量子理论方面。他把经典力学和量子理论结合起来，从而引起原子理论的革命，对量子力学建立起了重要作用，1922年获诺贝尔物理学奖。主要著作主要著作:1922年出版光谱与原子结构理论、1934年出版原子理论与自然界描述、1955年出版知识统一性等。192219222022-7-217关于轨道能量量子化的概念关于轨道能量量子化的概念原子处于特定条件所限定的几个能态原子处于特定
5、条件所限定的几个能态定态定态(stationary states)所有允许能态的统称。所有允许能态的统称。电子只在确定半径和电子只在确定半径和能量的定态轨道上运动能量的定态轨道上运动,不辐射能量不辐射能量。基态基态(ground state)主量子数主量子数n=1 的定态，也称为的定态，也称为基态基态。基态是能量最低即最稳。基态是能量最低即最稳定的状态。定的状态。激发态激发态(excited states)除基态以外的其余定态。除基态以外的其余定态。各激发态的能量随各激发态的能量随 n 值增大而增高。值增大而增高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达
6、激发态。2022-7-21Dr.Prof.W.N.Pang8 8原子的基态与激发态之间的关系原子的基态与激发态之间的关系基态原子基态原子激发态原子激发态原子吸收能量吸收能量释放能量释放能量氖原子第一氖原子第一激发电位是激发电位是多少？多少？2022-7-21Dr.Prof.W.N.Pang9当电子的加速电压UA原子的第一激发电势U1 电子与原子碰撞过程中无能量的交换。碰撞前后速度不变，表现为“弹性碰撞”物理图像2022-7-21Dr.Prof.W.N.Pang10当电子的加速电压UA 原子第一激发电势U1电子与原子碰撞发生能量交换。电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子电子碰撞后速度变慢；原子
7、退激发辐射光子表现为：表现为：“非弹性碰撞非弹性碰撞”物理图像KXGAEKGAEIEUGUAUEUFUFIE F:F:电子发射丝电子发射丝 K:K:阴极阴极 G:G:控制栅极控制栅极 A:A:加速栅极加速栅极 E:E:电子收集极电子收集极控制栅极控制栅极G与与加速加速栅极栅极A之间之间的加速电压的加速电压UA使使电子电子加速。加速。在收集在收集极极E和和加速加速栅极栅极A之间之间设置减速电压设置减速电压UE。电子由阴极电子由阴极K K发出，发出，阴极阴极K K和控制栅极和控制栅极G G之间之间的加速电压的加速电压U UG GUGUAUE实验中采用一定入射能量的电子与实验中采用一定入射能量的电子
8、与NeNe原子碰撞原子碰撞 注意注意：控制控制栅极栅极和阴极之间的和阴极之间的加速电压加速电压1-31-3伏伏，消除阴极电子散射的影响。，消除阴极电子散射的影响。2022-7-2112弗兰克弗兰克赫兹实验设计的巧妙之处赫兹实验设计的巧妙之处 在收集在收集极极E E与阳极与阳极A A之间之间加了一个小而加了一个小而稳定的稳定的减速减速电压电压U UE E，可筛去能量小于可筛去能量小于 的的电子，从而能检测出入射电子电子，从而能检测出入射电子在非弹性碰撞过程中能量损失的情况。在非弹性碰撞过程中能量损失的情况。EUe初始设置：初始设置：UF 固定为固定为8.5V，UG=1eV、UE=8eV任务：任务
9、：UA 控制在控制在0-70V0-70V范围内，范围内，观察原子能量量子化的现象，观察原子能量量子化的现象，测定氖原子的第一激测定氖原子的第一激发电位。发电位。IE-收集电流，至少观测收集电流，至少观测到到3个个峰谷。峰谷。2022-7-2113三、实验目的、任务三、实验目的、任务1.1.通过对通过对氖原子第一激发态电位氖原子第一激发态电位的测量实验，了解弗兰的测量实验，了解弗兰克赫兹研究原子能级克赫兹研究原子能级(量子化量子化)的基本思想和方法；的基本思想和方法；2.2.了解电子与原子碰撞和能量交换过程的了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像微观图像，以及影，以及影响这个过程的主要物理因
10、素，响这个过程的主要物理因素，学习用实验研究的方法来检验物学习用实验研究的方法来检验物理假说和验证理论的方法；理假说和验证理论的方法；2022-7-2114四、实验仪器、步骤、注意事项四、实验仪器、步骤、注意事项控制电压控制电压UG减速减速电压电压UE加速电压加速电压UA加速电压工作加速电压工作模式模式思考电子从阴极发射思考电子从阴极发射出来的空间分布。出来的空间分布。电流电流增益增益氖管结构氖管结构实验步骤1.开机：开机：将控制电压UG和加速电压UA的旋钮左旋到底，打开F-H实验仪背后电源开关，液晶显示屏有数据显示。2.初始参数设置：初始参数设置：实验中灯丝电压UF设置为8.5V不变。控制电
11、压的调节范围UG=14V，反向电压的调节范围UE=28V，遵循仪器安全的原则，选定参数UG和UE的初始值。3.观察控制栅极观察控制栅极G 和阳极和阳极A之间的发光现象：之间的发光现象：加速电压UA设为“手动扫描手动扫描”，将UA从零逐渐增加到70V，如果看不到发光区，慢慢调整参数（UG，UE），直至随着UA增加有发光现象出现，并记录发光区的位置、形态和发光区随UA增加的变化情况。*调整参数至发光区亮度适中，若出现发光区中心弯曲，向阴极调整参数至发光区亮度适中，若出现发光区中心弯曲，向阴极K K凸出，凸出，应立即减小加速电压应立即减小加速电压UG1G2，降低参数，降低参数UG1K再做再做实验。实
12、验。（一）（一）观察氖管发光现象观察氖管发光现象2022-7-2116实验步骤 将UA设为70V，慢慢增加控制电压UG，记录发光区的变化情况（形态、位置、亮度），当发光区中心比周边明亮，开始向阴极当发光区中心比周边明亮，开始向阴极K弯曲凸弯曲凸起时，停止增加起时，停止增加UG，并记录为UG的上限值。再慢慢减小控制电压UG，当发光区几乎要消失时，停止减小当发光区几乎要消失时，停止减小UG，并记录为UG的阈值。*整个实验中，控制电压整个实验中，控制电压UG始终不能超过上限值。始终不能超过上限值。*调整控制电压UG，使发光区亮度适中、没有弯曲、间隔明显。观察并记录反向电压UE对发光区（形态、位置、亮
13、度）的影响。从零开始增大加速电压UA，每当有一片新的发光区完全出现尚未离完全出现尚未离开阳极开阳极时，画下发光区和电极的侧视图，并记录相应UA数值。（观察时应水平正视，此时发光区间隔明显。侧视图中，必须标（观察时应水平正视，此时发光区间隔明显。侧视图中，必须标注四个电极的名称。）注四个电极的名称。）实验步骤4.氖氖原子第一激发电位原子第一激发电位U1的估计和橙红色可见发光区的机制分析：的估计和橙红色可见发光区的机制分析：由各片发光区刚刚完全出现时的加速电压UA数值，估算氖原子的第一激发电位U1。计算氖原子从第一激发态返回基态时所发射出光子的波长。此波长是否对应于观察到的橙红色发光区？如果不对应
14、，根据原子能级示意图（图1），分析橙红色发光区的可能是由氖原子的哪些能级之间的跃迁产生。实验步骤二二、用示波器观察电流曲线、用示波器观察电流曲线 采用同轴电缆将F-H实验仪的UX输入示波器的“X”通道，UY输入示波器的“Y”通道。1.示波器的电压信号观察：示波器的电压信号观察：加速电压UA设为“自动扫描自动扫描”，扫描下限为0，扫描上限为70V，观察示波器屏幕上的UX-t直线和UY-t曲线。调节示波器的电压档位和时间档位使曲线位于屏幕中央，大小适中。2.观察加速电压的线性变化规律：观察加速电压的线性变化规律：由UX-t直线得到加速电压UA从扫描下限线性增加到扫描上限所需要的时间。扫描时间是否随
15、着扫描范围的变化而变化？加速电压的增加速率是否跟随变化？实验步骤3.观察电流曲线的变化规律：观察电流曲线的变化规律：将UY-t曲线看作IE-t曲线，即电流曲线。记录电流曲线的变化规律，由此推断IE-UA曲线的形态。4.4.调整控制电压、反向电压以及加速电压（控制变量法），获得适合的电调整控制电压、反向电压以及加速电压（控制变量法），获得适合的电流曲线：流曲线：反向电压UE设置为适中数值，将控制电压UG慢慢从阈值增加至上限值（由实验一确定），记录UG取阈值、中间值、上限值时的三条电流曲线，说明电流曲线随UG的变化规律，并选定具有适中电流曲线的控制电压UG。选定UG后，将反向电压UE慢慢从最大值8
16、V开始减小，取电流曲线快速上升、峰谷变化变得不明显时的UE为最小值，记录UE取最大值、中间值、最小值时的三条电流曲线，说明电流曲线随UE的变化规律，并选定电流曲线适度上升的反向电压UE。选定合适（UG，UE）后，将加速电压的扫描上限从0开始逐渐增加，观察并记录电流曲线形态的变化，并选定三个峰和三个谷都完全出现的UA为加速电压扫描上限。将观察到的形态完整、峰谷明显的电流曲线，和预习报告问题9中预期的IE-UA曲线做比较，差异在哪里？为什么有这些差异？实验步骤三三、测定氖原子的第一激发电位、测定氖原子的第一激发电位1.测量加速电压测量加速电压UA随时间的变化率：随时间的变化率：按下示波器的“光标光
17、标”按钮，并选择光标的手动模式。将两对互相垂直的光标线分别相交于UX-t直线上的两点，且这两点尽量远离。读取两点之间的电压差值V和时间差t，计算加速电压UA随时间t的变化率s。（s=10V/t）2.2.测量电流曲线上各个峰和谷处的加速电压值：测量电流曲线上各个峰和谷处的加速电压值：以加速电压直线的起点为t=0时刻，通过光标测量电流曲线从t=0时刻开始到达各个峰和谷所需的时间t1、t2、t3、。通过加速电压的变化率和电流到达峰谷所需时间，计算相应电流峰谷处的加速电压UA。（UA=stn）三三、测定氖原子的第一激发电位、测定氖原子的第一激发电位2.分析分析实验模型，计算氖原子的第一激发电位实验模型
18、，计算氖原子的第一激发电位U1：写出电流第一峰处的加速电压值UA、一、二峰UA差值、二、三峰UA差值、一、二谷UA差值和二、三谷峰UA差值，分析这些电压值或电压差值的变化规律。在理想的实验模型下，即忽略电子从阴极K出来的初动能、电极自身对电场的影响、氖原子被激发到高激发态等因素，以上这些电压值和电压差值应有怎样的规律？实际的电子和原子碰撞过程中，哪些因素不能被忽略？选取哪些电压值或电压差值来计算氖原子的第一激发电位U1较为合理？计算氖原子第一激发电位U1，和标准值比较求得相对误差，并解释误差原因。2022-7-2123实验注意事项实验注意事项1、F-H管的电压值须按照给定值进行设置;UA设定终
19、止值不要超过70V;手动测试完毕后，尽快将手动测试完毕后，尽快将U UA A减减为零。为零。2、长时间处于电离状态，会造成F-H管损坏或性能变差，使用中应注意。测量中，逐步增加加速电压时，电流表应出现极大，极小的电流信号。若发现电流表突然超出量程，说明管子中有电离，应立即减小加速电压，并将控制电压减小。3、用示波器测量电流曲线的时候，按下示波器的Run/Stop键，并将加速电压降为零。2022-7-2124五、五、实验报告及数据处理要求实验报告及数据处理要求实验报告要求实验报告要求1)拒收电子版；拒绝抄袭。2)数据处理过程严谨。1.实验名称；2.实验目的；3.回答实验前该回答的问题；4.主要实
20、验仪器设备；5.现象记录，数据记录；6.实验现象分析、数据处理，误差评估、讨论和结论。2022-7-2125实验报告(写科学论文的前奏)实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。实验原理要简明扼要，要有必要的电或光路图，要有主要的数据处理过程，。2022-7-2126数据处理要求数据处理要求计算计算U1，单位：伏，单位：伏(V)；保留一位小数。；保留一位小数。计算相对误差，对于计算相对误差，对于5%以上相对误差，应在结论中以上相对误差，应在结论中也说明误差原
21、因。也说明误差原因。误差分析，按照主次，不超过误差分析，按照主次，不超过3条条，最主要的误差，最主要的误差原因写在前面原因写在前面I-U 曲线E UE*e时电子未能穿越减速区到达极板形成电流，因此栅极电流为零。E UE*e时，电子到达极板形成电流。随着加速电压的增大，能够穿越极板的电子数目越来越多，电流随之增大。继续增高电压值，电子与原子碰撞失去能量后剩余能量(E)足以穿越减速区的电子比例越来越大，电流又重新开始增大。随着电压值增大，电子与原子碰撞交出能量给原子的电子比例增加，电子能量损失后不能穿越减速区，电流减小。理解电流曲线每一段中，电理解电流曲线每一段中，电子和氖原子分别经历了什么？子和氖原子分别经历了什么？理解发光区和电流曲线的对理解发光区和电流曲线的对应关系。应关系。谢 谢
