弗蘭克—赫茲實驗報告

1、弗蘭克赫茲實驗一.實驗目的1、了解弗蘭克-赫茲試驗的原理和方法；2、學習測定氬原子的第一激發(fā)電位的方法；3、證明原子能級的存在，加強對能級概念的理解。二實驗原理 玻爾提出的原子理論指出：原子只能較長地停留在一些穩(wěn)定的狀態(tài)。原子在這種狀態(tài)時，不發(fā)射或吸收能量。各定態(tài)有一定的能量，其數(shù)值是彼此分隔得。原子的能量不論通過什么方式改變，它只能從一個狀態(tài)躍遷代另一個狀態(tài)。原子從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)而發(fā)射或吸收能量時，輻射的頻率是一定的。于是有如下關系： ，式中，h為普朗克常數(shù)。為了使原子從低能級想高能級躍遷，可以通過具有一定能量的電子與燕子相碰撞進行能量交換的辦法來實現(xiàn)。 圖1 弗蘭克-赫茲管結構圖

2、夫蘭克一赫茲實驗原理(如圖1所示)，陰極k，板極a，g1 、g2分別為第一、第二柵極。k-g1-g2加正向電壓，為電子提供能量。的作用主要是消除空間電荷對陰極電子發(fā)射的影響，提高發(fā)射效率。g2-a加反向電壓，形成拒斥電場。電子從k發(fā)出，在k-g2區(qū)間獲得能量，在g2-a區(qū)間損失能量。如果電子進入g2-a區(qū)域時動能大于或等于e，就能到達板極形成板極電流i.電子在不同區(qū)間的情況：1. k-g1區(qū)間 電子迅速被電場加速而獲得能量。2. g1-g2區(qū)間 電子繼續(xù)從電場獲得能量并不斷與氬原子碰撞。當其能量小于氬原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級差dee2-e1 時，氬原子基本不吸收電子的能量，碰撞屬于彈性碰撞。

3、當電子的能量達到de，則可能在碰撞中被氬原子吸收這部分能量，這時的碰撞屬于非彈性碰撞。de稱為臨界能量。3. g2-a區(qū)間 電子受阻，被拒斥電場吸收能量。若電子進入此區(qū)間時的能量小于eu g2a則不能達到板極。圖2弗蘭克-赫茲實驗i曲線a b c i (na)o u1 u2 u3 u4 u5 u6 u7由此可見，若eug2knde則電子在進入g2-a區(qū)域之前可能n次被氬原子碰撞而損失能量。板極電流i隨加速電壓變化曲線就形成n個峰值，如圖2所示。相鄰峰值之間的電壓差du稱為氬原子的第一激發(fā)電位。氬原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的能級差：de= edu 3 實驗內容及操作步驟1 正確連接電路；2 啟動預熱

4、；3 手動測量；4. 調節(jié)電壓，紀錄數(shù)據(jù)；5. 繪制 曲線 ；6. 數(shù)據(jù)處理。ug2k0.511.522.533.544.555.566.577.588.599.510ia00000000000000000000ug2k10.51111.51212.51313.51414.51515.51616.51717.51818.51919.520ia00000000000000.10.30.60.81.11.41.6ug2k20.52121.52222.52323.52424.52525.52626.52727.52828.52929.530ia1.822.22.42.6333.13.23.33.43

5、.43.43.33.232.92.62.42.3ug2k30.53131.53232.53333.53434.53535.53636.53737.53838.53939.540ia2.22.42.733.43.84.34.75.25.55.75.9665.85.65.14.74.23.6ug2k40.54141.54242.54343.54444.54545.54646.54747.54848.54949.55032.42.11.81.92.333.74.65.36.16.87.27.788.187.77.26.6ug2k50.55151.55252.55353.55454.55555.556

6、56.55757.55858.55959.560ia5.84.93.92.92.21.61.21.31.82.63.64.85.96.97.98.69.29.79.99.9ug2k60.56161.56262.56363.56464.56565.56666.56767.56868.56969.570ia9.69.28.57.66.65.44.33.12.11.41.1234.15.46.888.98.99.9ug2k70.57171.57272.57373.57474.57575.57676.57777.57878.57979.580ia10.410.911.211.311.110.710.1

7、9.28.16.95.74.43.32.31.922.63.54.55.8ug2k80.58181.58282.58383.58484.58585.58686.58787.58888.58989.590ia7.18.59.410.511.311.912.312.612.612.311.911.210.49.48.37.15.84.843.6ug2k90.59191.59292.59393.59494.59595.59696.59797.59898.59999.5100ia3.744.95.86.98.29.210.21111.912.613.113.513.613.513.312.812.21

8、1.310.4ug2k100.5101101.5102102.5103103.5104104.5105105.5106106.5107107.5108108.5109109.5110ia9.58.47.46.76.26.16.26.67.28.18.99.910.811.712.513.313.814.414.714.9ug2k110.5111111.5112112.5113113.5114114.5115115.5116116.5117117.5118118.5119119.5120ia14.814.714.213.713.112.311.510.810.19.79.39.29.39.610

9、10.611.31212.813.5 曲線數(shù)據(jù)處理：u1=26.5v u2=37.0v u3=48.5v u4=60.5vu5=71.5v u6=83.5v u7=96.0v u8=109.0用逐差法計算第一激發(fā)電位可得：uo=(u8-u4)+(u7-u3)+(u6-u2)+(u5-u1)/(4*4) =(109.0-60.5)+(96.0-48.5)+(83.5-37.0)+(71.5-26.5)/(4*4)=11.71875v11.7v4 思考題1. 能否用氫氣代替氬氣，為什么？答：不能；氫氣是雙原子分子，激發(fā)的能級是分子能級而非原子能級。 2. 為什么i-u曲線不會從原點開始？ 答：電子

10、由熱陰極發(fā)出，剛開始加速電壓主要用于消除陰極電子的散射的影響，后來電子加速，使其具有了較大的能量沖過反向拒斥電場而到達板極形成板流，并為微電流計所檢驗出來，故曲線不是從原點開始的。3. 為什么t不會降到零？答：隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場到達板極，這時電流又開始上升，不致下降到零。4. 為什么i的下降不是陡然的？答：因為k極發(fā)出的熱電子能量時服從麥克斯韋統(tǒng)計分布規(guī)律，因此極電流下降不是陡然的。5. 在f-h實驗中，得到的i-u曲線為什么呈周期性變化？答：當g2k間的電壓達到氬原子的第一激發(fā)電位u0時電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞，將自己從加速電場中獲得的全部能量給了氬原子，即使穿過了第二柵極也不能克服反向拒斥電場而被駁回第二柵極，所以，板極電流講顯著減小。隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子想碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場而達到板極a，這時電流又開始上升，直到g2k間的電壓是二倍的第一激發(fā)電位時，電子在ug2k間又會因第二次碰撞而失去能量，因而又會造成第二次板極電流的下降，同理，凡ug2k之間電壓滿足：ug2k=nu0(n=1,2,3.)時，板極電流ia都會相