夫兰克-赫兹实验条件的研究.doc

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大学物理实验设计性实验

实?验?报?告

实验题目：

夫兰克-赫兹实验条件的研究

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班级：

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姓名：

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学号：

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指导教师：

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实验课题及任务

《夫兰克-赫兹实验研究》实验课题任务是：运用所学的原子理论的知识，结合仪器的结构特点，设计出实验方案，找出最佳实验条件，测量出实验结果。

学生根据自己所学的知识，并在图书馆或互联网上查找资料，设计出《夫兰克-赫兹实验研究》的整体方案，内容包括：写出实验原理和理论计算公式，研究测量方法，写出实验内容和步骤，然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果，按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。

设计要求

(1)画出实验原理图，简要写出工作原理及原子的能级关系式；

(2)验证能级电流与灯丝电压的关系；

(3)验证能级电流与斥拒电压的关系；

(4)验证能极电流与第一栅极电压

的关系；

(5)合理选择灯丝电压与斥拒电压，作一条

曲线，要求：加速电压≤85V，出现6个峰值，最大峰值≤

，并计算出氩原子的第一激发电势(五次为限)。

(6)实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。

实验仪器

电脑一台、智能夫兰克-赫兹实验仪一台(氩管)、打印机一台等有关仪器。

必答问题

⒈设激发能～

及入射电子的能量分别为

及

，试计算电子与汞原子碰撞时有多少能量转移给汞原子？若汞原子又产生辐射，辐射光的波长大约是多少？

⒉设电子与汞原子发生弹性碰撞，试计算电子碰撞后损失能量的大小？

⒊根据自己测的

曲线，计算出第一激发电势是多少？并利用第一激发电势的值和第二峰的电压位置来推出第一峰的电压位置，读出第一峰的位置的电压值，此电压值是否刚好为第一激发电势的值，试分析产生此现象的原因？

⒋若加速电压足够大，

曲线最后部分可能是什么样？

学时分配

实验验收，4学时，在实验室内完成；教师指导(开放实验室)和开题报告1学时；

提交整体设计方案时间

学生自选题后2~3周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求电子版。用电子邮件发送到指导教师的电子邮箱里。

参考书籍???

《近代物理实验》

夫兰克-赫兹实验条件的研究

实验目的：

1、验证能级电流与灯丝电压的关系；

2、验证能级电流与斥拒电压的关系；

3、验证能极电流与第一栅极电压

的关系；

4、计算出氩原子的第一激发电势。

实验仪器：

ZHY-FH智能夫兰克-赫兹实验仪?P4计算机、打字机

实验原理：

(一)关于激发电位

玻尔的原子理论指出：原子只能处于一系列不连续状态，这些状态具有分立的确定的能量值，称为定态。为了实现原子从低能级到高能级的跃迁，被跃迁的原子必须吸收一定频率v的光子,或与带一定能量的电子发生碰撞。1914年夫兰克和赫兹用“慢”电子和稀薄原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级，从而证明原子能级的存在，实验装置如图1所示。

夫兰克=赫兹管是一种充有某稀薄原子特制三级管，在栅极G和阴级K之间加有正向电压

，在极板A和栅极G之间加有反向电压

。从热阴极发出的电子，在KG空间正向电压

的作用下加速，获得越来越大的能量。当进入GA空间时，如果电子具有的能量大于

,就能够冲过反向拒斥电场而达到极板形成电流，由微电流计pA检出，反之电子的能量小于

，则不能克服反向拒斥电场，而被折回栅极。

设初速度为零的电子在加速电场的作用下，获得能量

(为加速电压)，当具有这个能量的电子与原子碰撞时会出现一下三种情况：

1、电子的能量较小，只能与原子作弹性碰撞，不能使原子激发，电子仍按原速率运动。

2、当电子有较大的能量，而达到某一临界值

时，将与原子作非弹性碰撞，原子从电子那里获得能量，从基态跃迁到激发态，用

和

表示原子在基态和第一激发态的能量，则

(1)

如果测得

，就可以知道原子第一激发与基态的能量差，

称为第一激发电位，亦称中肯电位。

3、如果电子的能量大于

，则电子与原子发生碰撞时，只将部分能量传给原子，使之激发，自己还余一部分能量。

实验时可以观察到，逐渐加大加速电压

时，板流

加速电压

之间的变化关系

曲线如图2所示。此现象解释如下：初始阶段，由于加速电压

较低，电子获得的能量较少，电子与原子碰撞只有微小的能量交换，电子要想通过GA空间，必须克服反向拒斥电场的作用，才能到达板极形成电流，所以板流

随加速电压

的增加而缓慢地上升，如图oa段。当加速场中获得的全部能量传递给原子，并使之从基态跃迁到第一激发态。这部分电子或者无法通过栅极，或者穿达栅极而不能克服反向拒斥电场的作用，到达极板，因此电流急剧下降，如图ab断。随着加速电压

的继续增加，电子的能量也越来越高，它与原子相碰撞，虽然失去部分能量，余留的能量足