【文章內(nèi)容簡介】 證電場力方向與重力方向 平行，否則，油滴幾經(jīng)上下就會離開顯微鏡視場，無法繼續(xù)測量。 3）調(diào)節(jié)照明電路，若視場太暗或視場上下亮度不均勻，可轉(zhuǎn)動油滴照明的燈座 （或方向結(jié)）使小燈珠前面的聚光珠正對導光棒（改裝后無需調(diào)節(jié)）。 4）轉(zhuǎn)動顯微鏡的目鏡，使分劃板刻線清晰；轉(zhuǎn)動目鏡頭，將分劃板放正。 5）在噴霧器中注入油數(shù)滴，將油從噴霧口噴入，調(diào)節(jié)測量顯微鏡的調(diào)焦手輪， 隨即可以從顯微鏡中看到大量清晰的油滴。 測量練習 1） 練習控制油滴：“平衡電壓”開關和“升降電壓”開關均撥到中間“ 0”位 置，旋轉(zhuǎn)平衡電壓旋鈕將平衡電壓調(diào)至 200300V。將油滴噴入，在視場中看到油滴后，將“平衡電壓”開關撥向“ +” （或“ ”）位置，把事先調(diào)好的電壓加到平行極板上，多數(shù)油滴立即以各種不同的速度向上或向下運動而消失。當視場中剩下幾個因加電壓而運動緩慢的油滴時，從中選擇一個，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓的大小，使它不動。接著利用升降電壓使它上升，然后去掉極板電壓再讓它下降。如此反復升降，直到能熟練控制油滴的運動。若發(fā)現(xiàn)油滴逐漸變得模糊，需微調(diào)顯微鏡跟蹤油滴，使油滴保持清晰。 2） 練習選擇油滴：選擇一個大小合適，帶電量適中的油滴，是做好本實驗的 關鍵。選的油滴不能太大，太大的油滴雖然比較亮，但是一般帶電荷比較多，下降速度也比較快，時間不容易 測準確。油滴也不能選得太小，油滴太小受布朗運動或氣流的影響太大，時間也不容易測準確。通?？梢赃x擇平衡電壓在 200V以上，勻速下降 2mm所用時間為 1530 秒的油滴，其大小和帶電量都比較合適。 3） 練習測量：利用平衡電壓及升降電壓把選中的油滴調(diào)到接近上極板，去掉 電壓，待油滴下降速度穩(wěn)定后，并通過某一刻線時開始計時，記錄下降四格所用的時間，反復幾次，熟練掌握測量時間的方法。 正式測量 1） 平衡法：由（ 8）式可知，用平衡法實驗時要測量三個量，即平衡電壓 V， 油滴勻速下降一段距離 l所用的時間 tg和大氣壓強 P .測量平 衡電壓必須經(jīng)過仔細的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分劃板上某條橫線附近，以便正確判斷出這個油滴是否平衡了。 測量時間 tg時，為保證油滴勻速下降，應先讓它下降 1格，再開始計時。選定測量的一段距離 l，應該在平行極板的中央部分，即視場中分劃板的中央部分。若太靠近上極板，小孔附近有氣流，電場也不均勻，會影響測量結(jié)果。太靠近下極板，測量完時間后，油滴容易丟失，影響重復測量，一般取 l=。因為tg有較大漲落，對同一個油滴應進行 510次測量，然后取它們的平均值。另外，要選擇不同的油 12 滴（不少于 5個）進行反復測量。大氣 壓強從氣壓計上直接讀出，單位為厘米汞柱。 2） 動態(tài)法：由（ 12）式可知，在動態(tài)測量法中，也需要測量三個量，除大氣 壓強 P外，還有油滴通過相同距離所用時間 tg和 tE。選擇一個平衡電壓約 200V,勻速下降 2mm所用時間為 1530秒的油滴。先去掉極板電壓測出時間 tg，然后在極板上加 400V左右的電壓，使油滴反轉(zhuǎn)運動，再測量時間 tE 。 tg和 tE交替進行，連續(xù)測量 510次，并分別求出它們的平均值。 數(shù)據(jù)處理 （ 1）根據(jù)公式（ 8） 式中 將 r代入上式，并設 k k2分別為 （ 13） （ 14） 則（ 8）式可以寫成下面的形式 （ 15） 同理，公式（ 12）也可以改寫成下式 （ 16） 其中 ρ =981kg/m3, g=, η =179。 105kg/m?s, =179。 103m（分劃板中央四格的距離）。將以上數(shù)據(jù)代入（ 13）和（ 14）式得 k1=179。 1014kg?m2/s1/2 k2=將 k1和 k2分別代入（ 15）和（ 16）式得 （平衡法） 13 （動態(tài)法） 把實驗測得的 V、 t和 P代入上式，就可以計算出油滴所帶的電量 q 。由于 ρ 和 η 都是溫度的函數(shù)， g也隨時間、地點的不同而變化，因此上式是近似的，好處是運算大大簡化了。 （ 2）實驗中發(fā)現(xiàn)，對于不同的油滴，計算出的電量是一些不連續(xù)變化的值，存 在 qi=nie的關系， ni是整數(shù)。對于同一個油滴，用紫外線照射改變它所帶的電量，能夠使油滴再次達到平衡的電壓，必須是某些特定的值 Vn。即 neVdmgq n ??， n也為整數(shù)。這就表明電量存在著最小的電荷單位，即電子電荷值 e，或稱基本電荷。 求基本電荷 e值的方法有逐差法和作圖法兩種。前者是對測得的各個油滴電量求最大公約數(shù)，這個最大公約數(shù)就是電子電荷 e值。后者是以縱坐標表示電量，橫坐標表示電子個數(shù) n，在圖中找出一條通過原點的直線，使各個油滴所帶的電量 q與正整數(shù) n的交點都位于這條直線上（因測量有誤差，交點應分布在該直線的兩側(cè)，并且很靠近直線）。這條直線的斜率即為基本電荷 e值。由于初學者實驗技術(shù)不熟練，測量誤差比較大，測量油滴的個數(shù)也不夠多，用上 述方法求電子電荷 e值比較困難。因此，可以采用“反過來驗證”的辦法處理數(shù)據(jù)：計算出每個油滴電量 qi后，用 e的公認值去除，得到每個油滴帶基本電荷個數(shù)的近似值 ni，將 ni四舍五入取整，再用這個整數(shù)去除 qi，所得結(jié)果為我們測出的電子電量 ei 。 求出 ei的平均值，并與公認值（ e=179。 1019C）比較求出百分差 E 。 相關閱讀材料及頁碼： 向必純 主編，《大學物理實驗》， 267275 作業(yè)安排： 數(shù)據(jù)處理，完成實驗報告 14 學院 教師姓名 課程名稱 學分 /學時 課程性質(zhì) 課次 /學時 學年 /學期 理學院 吳飛 近代物理實驗 1/32 考查課 2/4 20202017/2 教學目標： ①本實驗通過對氬原子第一激發(fā)電位的測量，了解弗蘭克和赫茲研究原子內(nèi)部能量量子化的基本思想和方法； ②了解電子與原子碰撞和能量交換過程的微觀圖像，以及影響這個過程的主要物理因素 。 教學內(nèi)容： 教學內(nèi)容： 弗蘭克赫茲 實驗原理、實驗裝置操作、實驗內(nèi)容和操作步驟、實驗數(shù)據(jù)處理 重點：實驗原理、實驗內(nèi)容和操作步驟、實驗數(shù)據(jù)處理 難點：實驗原理 教學實施過程及教學方法 1911 年，盧瑟福根據(jù) ? 粒子散射實驗，提出了原子核模型。 1913 年，玻爾將普朗克量子假說運用到原子有核模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個重要的概念：原子的定態(tài)能級和能級躍遷概念。電子在能級之間躍遷時伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處的定態(tài)能級間的能量差，并滿足普朗克頻率定則。隨著英國物理學家埃萬斯對光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨立的實驗方法的驗證。隨后，在 1914 年，德國科學家弗蘭克和他的助手赫茲采用慢電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法，簡單 而巧妙地直接證實了原子能級的存在，并且實現(xiàn)了對原子的可控激發(fā)，從而為玻爾原子理論提供了有力的證據(jù)。 實驗目的 ①本實驗通過對氬原子第一激發(fā)電位的測量，了解弗蘭克和赫茲研究原子內(nèi)部能量量子化的基本思想和方法； ②了解電子與原子碰撞和能量交換過程的微觀圖像，以及影響這個過程的主要物理因素。 實驗儀器 FH 管電源組、掃描電源和微電流放大器、加熱爐（帶控溫裝置）。 實驗原理 15 玻爾的原子模型理論提出了三條假設： 1）定態(tài)假設； 2）躍遷的頻率條件； 3）角動量量子化條件。從這三個假設可以很好的解釋氫原子光譜的規(guī)律性，但 能否用實驗方法，直接證明原子由低能級向高能級躍遷時吸收的能量也是量子化的呢？這種證明將會從另一方向為玻爾理論找到實驗依據(jù)，也就直接證明了原子能級的存在。 要使原子從低能級躍遷到高能級，必須有某種能夠改變原子能量狀態(tài)的方法。改變原子能狀態(tài)有兩種方法：一是原子吸收輻射后向高能級躍遷，二是原子與其它粒子碰撞時接受能量后向高能級躍遷。要能控制和測量這種能量的大小，則采用第二種方法：用給定的電場來加速電子（電子的能量可以直接控制和測量），再讓這些具有一定動能的電子和原子發(fā)生碰撞，處于基態(tài)的原子就可得到電子的能量向高 能級躍遷。（歷史上最早由夫蘭克和赫茲用這種方法測出了汞原子的第一激發(fā)電位，并獲得 1925 年諾貝爾獎）。電子和原子碰撞時是否發(fā)生能量交換呢？這和電子具有能量大小有關。設加速電子的電位為 V，電子獲得的能量為 eV，如果電子能量 eV小于原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量（稱臨界能量），原子不可能向高能態(tài)躍遷，即使電子與原子發(fā)生了碰撞，也只能是彈性碰撞，電子能量幾乎沒有損失；如果電子能量達到臨界能量（相應的加速電壓叫臨界電位，記作 Vg 也稱作原子的第一激發(fā)電位），電子與原子碰撞時，電子就可能將全部動能交給原子，原子從 基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)；如果電子能量大于臨界能量，碰撞時原子只從電子那里獲取躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量，多余的能量仍由電子保留，總之，只要加速電子的電位 V≥ Vg，都會使原子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍遷，處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)的原子，又會很快以輻射方式放出能量回到穩(wěn)定的基態(tài)，發(fā)出的輻射由躍遷的頻率條件給出： 根據(jù)上述原理，我們采用充汞的 FH 管及圖 1 所示電路來測定汞的第一激發(fā)電位。下面對該裝置的原理及 FH 管的工作過程簡要說明如下：根據(jù)上述原理，我們采用充汞的 FH 管及圖 1 所示電路來測定汞的第一激發(fā)電位。下面對該裝置的原理及 FH 管的工作過程簡要說明如下： FH 管內(nèi)貯有足夠量的液態(tài)汞，管內(nèi)溫度升高時，始終能保持汞蒸汽處于飽和狀態(tài)。陰極 K 在燈絲電壓 VF 加熱下，發(fā)射熱電子作為低速運動電子的為源。陰極 F 和第二柵極 G2 之間的電位差Vp（ 090V），使得從陰極發(fā)出的電子穿過管內(nèi)的 Hg蒸氣 朝第二柵極加速運動。由于陰極到柵極的 16 距離較大，這些電子與 Hg原子可能發(fā)生多次碰撞。第二柵極 G2 和板極 P 之間有一很小的負電壓VG2（ 0~15V），對電子有一定的拒斥作用，使能量小于 eVG2 的電子不能到達板極。用微電流放大器 M 來測量陰極和板極電路中的電流強度 IA，其值的大小反映了從陰極能夠到達板極的電子數(shù)。第一柵極 G1 與陰極 F 之間的電壓 VG1（ 05V）加強陰極電子向柵極運動的束流。實驗中直接要測量的就是板極電流 IA隨加速電位 Vp 的變化關系（測量中 VG1 和 VG2 不變）。 當柵極電壓 Vp 剛開始升高時，板極電流也隨之增加，如圖 2 的 A段，當柵極電壓 Vp 等于或稍大于 Hg原子的第一激發(fā)電位 Vg 時，在柵極附近，電子的動能達到或稍大于 Hg原子的臨界能量eVg，電子就在這個區(qū)域與 Hg原子發(fā)生非彈性碰撞，幾乎把全部動能交給 Hg原子，使處于基態(tài)的Hg原子躍遷到第一激發(fā)態(tài)。這些電子由于損失了能量，不能克 服拒斥電位 VG2 而到達板極，從而使板極電流 IA很快下降，如圖 2曲線的 AB 段。當柵極電壓 Vp 繼續(xù)增大時，電子在距柵極較遠處能量已達 eVg，即在到達柵極之前就會與 Hg 原子發(fā)生非彈性碰撞失去能量，由于還處在陰極和柵極之間的區(qū)域，仍有加速電場作用，致使電子到達柵極時又具有了一定的功能，可以克服柵極與板極之間的拒斥電位而到達板極。從而使 IA又會隨 Vp 的增加而增加。如圖 2 曲線的 BC 段。當 Vp增加到 2Vg時，與 Hg原子發(fā)生過一次非彈性碰撞后的電子到達柵極附近時，能量第二次達到 eVg，會與 Hg原子發(fā)生第二次非彈性碰撞。所以 IA又會下降，如圖 2 的 CD 段。隨著 Vp 的不斷增加，板流 IA相繼出現(xiàn)一系列的極大極小值（如圖 2）。顯然，兩個相鄰的極大或極小值之間在橫軸上的間距，就等于 Hg原子的第一激光電位 gV 實驗中板流電流 IA的下降并不是完全突然的。曲線的峰總會有一定的寬度，這主要是由于從陰極發(fā)出的電子的能量服從一定的統(tǒng)計分布規(guī)律。另外，從實驗曲線可以看到， IA并不下降到零，這主要是由于電子與原子的碰撞有一定的幾率，當大部分電子恰好在柵極前使 Hg原子激發(fā)而損失能量時，總會有另一些電子逃避了碰撞。 由于 FH管的柵極和陰極由不同材料制成，即有接觸電位差存在。這使得實際加速電壓并不嚴格是 Vp，而是 Vp 與接觸電位差的代數(shù)和。因此，實驗曲線的第一峰值電壓，并不是 Hg原子的第一激發(fā)電位。只有相鄰峰（谷）之間的距離才不受接觸電位差的影響，與 Hg原子的第一激發(fā)電位相同。 17 實驗步驟 1．按圖 1 連接電路。 2．調(diào)加熱爐溫控：開啟加熱爐溫控開關，使 F— H 管置于 180176。 C。待爐溫 達到 C0010? 以上時，開啟“ FH 管電源組”的開關及“掃描電源和微電流放大器”的開關。控繼電器跳變（指示 燈同時跳變）時，爐溫達到預定溫度，才能開始實驗。 3．選擇適當?shù)膶嶒灄l件： 使燈絲電壓 VF~ 伏， VG1 1 伏， VG2 1 伏，“掃描選擇”置“手動”。 4． 測量：改變 VP 同時觀察微電流計上 Ip 的變化。如果 VP 增加時電流迅速增