法蘭克-赫茲實驗

說明:
法朗克及赫茲兩人在1914年做了一個極重要的實驗,運用電子碰撞法直接證明穩定態的存在。
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法蘭克-赫茲實驗 From Visual Quantum mechanics

操作說明

Step 1 選擇氣體種類:有Neon(Ne) 與Mercury(Hg),
Step 2 調整Filament voltage,使燈絲產生熱電子
Step 3 調整Grid Voltage,讓熱電子獲得動能,往Grid方向移動。
Step4 觀察左下方的電壓-電流的圖表 ,可以看出穩定態確實存在。

以汞蒸氣來說,當Grid Voltage 增至 4.9 伏特時,電流突然下降。Grid Voltage 增至 9.8 伏特時,電流再次下降。與古典物理不相符

原理解說
當電子被電場加速所得動能小於 4.9eV,無法激發汞原子,則電子與汞原子間作彈性碰撞。由於汞原子的質量遠大於電子,所以碰撞後電子動能幾乎不變,可克服反向電壓而到達屏極,形成電流。且電流會隨電壓增加而變大。
當電子被電場加速所得動能等於 4.9eV,恰可激發汞原子,則部分電子與汞原子間作非彈性碰撞。碰撞後電子動能損失,無法克服逆向電壓到達屏極,故電流減少。
當電壓增至或超過 9.8V,則電子有兩次機會將汞原子(不同的原子)從基態激發至第一受激態,故也會造成電流驟降。因此電壓每間隔 4.9V,會有一次電流驟降。

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