弗兰克赫兹实验报告.docVIP

一、实验名称：弗兰克-赫兹实验 二、实验目的： （1） 用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在；（2） 练习使用微机控制的实验数据采集系统。 三、实验原理： 根据波尔的原子模型理论，原子中一定轨道上的电子具有一定的能量。当原子吸收或放出电磁辐射时或当原子与其他粒子发生碰撞时，原子状态会发生改变。改变过程中原子的能量变化不是任意的，而是受到波尔理论的两个基本假设的制约，即定态假设和频率定则。 由波尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需能量不能小于该原子从基态跃迁到第一受激态时所需的能量，这个能量称作临界能量。当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。这时，电子给予原子以临界能量，剩余能量仍由电子保留。 本仪器采用 1 只充氩气的四极管，其工作原理图如下： 当灯丝（H）点燃后，阴极（K）被加热，阴极上的氧化层即有电子逾出（发射电子），为消除空间电荷对阴极散射电子的影响，要在第一栅极（G1）、阴极之间加上一电压 UG1K（一栅、阴电压）。如果此时在第二栅极（G2）、阴极间也加上一电压 UG2K（二栅、阴电压），发射的电子在电场的作用下将被加速而取得越来越大的能量。 起始阶段，由于较低，电子的能量较小，即使在运动过程中与电子相碰撞（为弹性碰撞）只有微小的能量交换。这样，穿过 2 栅的电子到达阳极（A）[也惯称板极]所形成的电流（IA）板流（习惯叫法，即阳极电流）将随 2 栅的电压 UG2K 的增加而增大，当 UG2K 达到氩原子的第一激发电位（11.8V）时，电子在 2 栅附近与氩原子相碰撞（此时产生非弹性碰撞）。电子把加速电场获得的全部能量传递给了氩原子，使氩原子从基态激发到第一激发态，而电子本身由于把全部能量传递给了氩原子，它即使穿过 2 栅极，也不能克服反向拒斥电场而被折回 2 栅极。 所以板极电流 IA 将显著减小，以后随着二栅电压 UG2K 的增加，电子的能量也随着增加，与氩原子相碰撞后还留下足够的能量。这又可以克服拒斥电场的作用力而到达阳极，这时 IA 又开始上升，直到 UG2K 是 2 倍氩原子的第一激发电位时，电子在 G2 和 K 之间又会因为第 2 次非弹性碰撞而失去能量，因而又造成第 2 次 IA 的下降，这种能量转移随着 UG2K 增加而 IA 周期性变化，若以 UG2K 为横坐标，以 IA 为纵坐标就可以得到一谱峰曲线，谱峰曲线两相邻峰尖（或谷点）间的 UG2K 电压差值，即为氩原子的第一激发电位值。 从这个实验说明了夫兰克-赫兹管内的缓慢电子与氩原子相碰撞，使原子从低能级激发到高能级，并通过测量氩原子的激发电位值，说明了玻尔——原子能级的存在。 四、主要的实验仪器及实验步骤： 仪器面板介绍： 前面板 后面板 实验步骤： 1、插上电源，拨动电源开关。 2、将手动-自动档切换开关置于“手动”，微电流倍增开关置于 10-9 档。 3、先将灯丝电压 VH、控制栅电压 VG1K（阴极到第一栅极电压 UG1K）、拒斥电压 VG2A（阳极到第二栅极电压 UG2A）缓慢调节到仪器机箱上所贴的“出厂检验参考参数”。预热 10 分 钟，此过程中可能各参数会有小的波动，请微调各旋钮到初设值。 4、旋转 UG2K 调节旋钮，测定曲线。使栅极电压逐渐增加，每增加 0.5v 或者 1v，记录相应的电压、电流值，随着 UG2K（加速电压）的增加，阳极电流表的值出现周期性峰值谷值，要特别注意电流峰值（和谷值）所对应的电压，在峰值和谷值前后附近最好多测几点，以便找到准确的峰值。以阳极电流为纵坐标第二栅电压为横坐标，作出谱峰曲线。测量时电流需要时间去稳定，这是因为电流值很小，是正常现象，改变电压一定要缓慢，否则电流稳定时间将变长。 5、根据所取数据点，列表作图，并读取相邻电流峰值对应的电压，用逐差法计算出氩原子第一激发电位的平均值。 6、在实验完毕后，请勿长时间将 UG2K 置于最大值，应将其按逆时钟方向旋转至最小值。 五、数据处理： 氩原子第一激发电位 Ug 的测量 实验数据记录 a. 实验条件 2 灯丝电压 UfV ，拒斥场电压 UR= 7.5 ，V控制栅电压 UG= 2.1 。V b. 实验数据 1 2 3 4 5 6 峰序号 i 峰值电压 Ui/V 16.85 27.95 39.44 51.02 63.55 76.46 （2）逐差法处理数据 1 2 3 数据序号 i (Ui+3-Ui)/V 34.17 35.60 37.02 求平均值： 1 3 35.60 3 = = 11.87 +3 3 =1 求不确定度： 3 = √ 1 3 +3 2 3 ? 1 ∵ = 3 =1 3 = 3.5377 ∴ ? = (