基本介紹
- 中文名：法蘭克-赫茲實驗
- 外文名：Franck–Hertz experiment
- 領域：量子力學
簡介,實驗設定與結果,實驗結果詮釋,發生在其它氣體的效應,參閱,
簡介
法蘭克-赫茲實驗是一個由德國物理學家詹姆斯·法蘭克和古斯塔夫·赫茲完成的著名物理實驗。這實驗首先直接地證實了波耳模型離散能級概念的正確性。 1914 年，他們發表了這令人信服的實驗結果，對於現代量子力學被科學界接受做出重大的貢獻。由於他們“發現那些支配原子和電子碰撞的定律”，法蘭克和赫茲共同得到1925年諾貝爾物理學獎。
實驗設定與結果
這個經典實驗的主要實驗器具是一個類似真空管的管狀容器，稱為水銀管，內部充滿溫度在
與
之間，低氣壓的水銀氣體。水銀管內，裝了三個電極：陰極、網狀控制柵極、陽極。陰極的電勢低於柵極跟陽極的電勢，而陽極的電勢又稍微低於柵極的電勢。陰極與柵極之間的加速電壓是可以調整的。通過電流將鎢絲加熱，鎢絲會發射電子。由於陰極的電勢高於鎢絲的電勢，陰極會將鎢絲髮射的電子往柵極方向送去。因為加速電壓作用，往柵極移動的速度和動能會增加。到了柵極，有些電子會被吸收；有些則會繼續往陽極移動。通過柵極的電子，必須擁有足夠的動能，才能夠抵達陽極；否則，會被柵極吸收回去。裝置於陽極支線的安培計可以測量抵達陽極的電流。
- 當加速電壓很低，小於 4.9伏特 時，隨著電壓的增加，抵達陽極的電流也平穩地單調遞增。
- 當電壓在 4.9 伏特時，電流猛烈地降低，幾乎降至 0 安培。
- 繼續增加電壓。再一次，同樣地，電流也跟隨著平穩地增加，直到電壓達到 9.80伏特。
- 當電壓在 9.8 伏特時，又觀察到類似的電流猛烈降低。
- 電壓每增加 4.9 伏特，電流就會猛烈降低。這樣系列的行為最少繼續維持至 100 伏特電壓。
實驗結果詮釋
使用彈性碰撞和非彈性碰撞的理論，法蘭克和赫茲給予了這實驗合理的解釋。當電壓很低時，被加速的電子只能獲得一點點能量。他們只能與水銀原子進行純彈性碰撞。這是因為量子力學不允許一個原子吸收任何能量，除非碰撞能量大於將電子躍遷至較高的能量量子態所需的能量。
由於是純彈性碰撞，系統內的總動能大約不變。又因為電子的質量超小於水銀原子的質量，電子能夠緊緊地獲取大部分的動能。增加電壓會使電場增加，剛從陰極發射出來的電子，感受到的靜電力也會加大。電子的速度會加快，更有能量地沖向柵極。所以，更多的電子會衝過柵極，抵達陽極。因此安培計讀到的電流也會單調遞增。
發生在其它氣體的效應
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。程式是相同的，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 19
，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。
參閱
- 拉塞福散射
