夫蘭克赫茲大物實(shí)驗(yàn)

1、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)資源09-2 09011203陳深咼一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 測(cè)量氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)，證明原子能級(jí)的存在，從而加深對(duì)量子化概念的認(rèn)識(shí) .2. 加深對(duì)熱電子的發(fā)射的理解 ，學(xué)習(xí)將電子與原子碰撞的微觀(guān)過(guò)程與宏觀(guān)物理量相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法3. 了解微電流的測(cè)量方法.二、實(shí)驗(yàn)原理1.激發(fā)電勢(shì)根據(jù)波爾理論，1原子只能較長(zhǎng)時(shí)間地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)簡(jiǎn)稱(chēng)為定態(tài)。 原子在這些狀態(tài)時(shí)，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 立的。原子的能量不管通過(guò)什么方式發(fā)生改變，他只能從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè) 定態(tài)。2原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時(shí)，輻射頻率是一定的。假設(shè)用 Em和En表示

2、有關(guān)兩定態(tài)的能量，輻射頻率決定于關(guān)系式 hEm-En，其中普朗克常數(shù)6.63 10；4JS。原子穩(wěn)定態(tài)的改變通常在兩種情況下發(fā)生， 一是當(dāng)原子本身吸收或發(fā)出電磁 輻射時(shí)，二是通過(guò)原子與其他粒子的碰撞交換能量而實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)中為了使原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，通過(guò)具有一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換的 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。如以代表原子的基態(tài)能量、E2代表原子的第一激發(fā)態(tài)的能量，那么當(dāng)原 子從電子傳遞來(lái)的能量恰好滿(mǎn)足eU。= E2 - E1時(shí)，原子就會(huì)從基態(tài)躍遷到第一激 發(fā)態(tài)，而相應(yīng)的電勢(shì)差稱(chēng)為原子的第一激發(fā)電勢(shì)或稱(chēng)原子的中肯電勢(shì) 。夫蘭 克一赫茲實(shí)驗(yàn)的原理圖如圖1所示，核心局部是一個(gè)充氬氣的四極管，電

3、子由熱 陰極K發(fā)出。第一柵極的作用主要是消除空間電荷對(duì)陰極電子發(fā)射的影響。陰 極K和第二柵極G2之間的加速電壓UG2K使電子加速。在陽(yáng)極 A和第二柵極 G2之間加有反向拒斥電壓UG2A。管內(nèi)空間電勢(shì)分布如圖2所示。當(dāng)電子通過(guò)KG2空間進(jìn)入G2A空間時(shí)，如果有較大的能量 eUG2A ,就能沖過(guò)反向拒 斥電場(chǎng)而到達(dá)陽(yáng)極形成電流，被微電流計(jì)檢出。如果電子在 KG2空間與原子碰 撞，把自己一局部能量傳給原子而使后者激發(fā)， 電子本身剩余的能量就很小，以 致通過(guò)第二柵極后已缺乏以克服拒斥電場(chǎng)而被折回到第二柵極， 這時(shí)，通過(guò)微電 流計(jì)的電流將顯著減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使UG2K電壓逐漸增加并仔細(xì)觀(guān)察電流計(jì)的電流指示

4、，如果原子 能級(jí)確實(shí)存在，而且基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間有確定的能量差的話(huà)，就能觀(guān)察到如圖3所示的IaUG2K曲線(xiàn)。圖3所示的曲線(xiàn)反映了原子在 KG2空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。當(dāng) KG2空間電壓逐漸增加時(shí)，電子在 KG2空間被加速而獲得越來(lái)越大的能量。但 起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，即使在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中他與原子相碰撞 也只有微小的能量交換為彈性碰撞。穿過(guò)第二柵極的電子所形成的電流Ia將 隨第二柵極電壓UG2K的增加而增大如圖3的oa段。當(dāng)KG2間的電壓到達(dá)原 子的第一激發(fā)電位U。時(shí)，電子在第二柵極附近與原子相碰撞，將自己從加速電 場(chǎng)中獲得的全部能量交給后者，并且使后者從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)

5、態(tài)。 而電子本 身由于把全部能量給了原子，即使穿過(guò)了第二柵極也不能克服反向拒斥電場(chǎng)而被 折回第二柵極被篩選掉。所以陽(yáng)極電流將顯著減小圖 3所示ab段。隨著 第二柵極電壓的增加，電子的能量也隨之增加，在與原子相碰撞后還留下足夠的 能量，可以克服反向拒斥電場(chǎng)而到達(dá)陽(yáng)極A，這時(shí)電流又開(kāi)始上升be段。直到KG2間電壓是二倍原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在 KG2間又會(huì)因二次碰撞 而失去能量，因而又會(huì)造成第二次陽(yáng)極電流的下降ed段，同理，凡在Ug2k二n Uo n 72,3的情況下，陽(yáng)極電流Ia都會(huì)相應(yīng)下跌，形成規(guī)那么起伏 變化的IaUg2k曲線(xiàn)。在Ug2k較高的情況下，電子在向柵極飛奔的過(guò)程中，將 會(huì)與原

6、子發(fā)生屢次碰撞，即出現(xiàn)碰撞一加速一碰撞等重復(fù)的過(guò)程，而各次陽(yáng)極電 流Ia下降時(shí)相對(duì)應(yīng)的陰、柵極電勢(shì)差 Un+1-Un即為原子的第一激發(fā)電勢(shì) Uo。IaUg2k曲線(xiàn)上陽(yáng)極電流Ia并不是突然下降的，而是有一個(gè)變化的過(guò)程， 這是因?yàn)殛帢O發(fā)射的電子的初始速度不是完全相同的，服從一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī) 律。另外，由于電子與原子的碰撞有一定的幾率， 在大局部電子與原子碰撞而損 失能量的時(shí)候，還會(huì)有一些電子沒(méi)有發(fā)生碰撞而到達(dá)了陽(yáng)極，所以陽(yáng)極電流不會(huì)降為零原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。在實(shí)驗(yàn)中被慢電子轟擊到第一激發(fā)態(tài)的原子要跳回基態(tài)，進(jìn)行這種反躍遷時(shí)，就有 eUo電子伏特的能量發(fā)射出來(lái)。反躍遷時(shí)，原子是以放出光量子的形

7、式向外輻射能量。這種光輻射的波長(zhǎng)為eU。=2二he/，對(duì)于氬原子hc 6.63 10-4 3.00 1。819eUo 1.6 10J9 11.5= 108.1 nm。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)際測(cè)量證實(shí)原子能級(jí)的存在， 并測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電勢(shì)公認(rèn)值為U0=11.5v。如果夫蘭克一赫茲管中充以其他元素，那么可以測(cè)量他們的第 一激發(fā)電勢(shì)，其他幾種元素的第一激發(fā)電勢(shì)見(jiàn)表 1。AFSi夫蘭克一赫蘊(yùn)實(shí)驗(yàn)原理圖S3夭蘭克一赫玆管人一4代曲線(xiàn)表1幾種元素的第一激發(fā)電勢(shì)丿元素鈉Na鉀K鋰Li鎂Mg汞Hg氦He氖NeU0/V2.121.631.843.204.9021.2018.60三、實(shí)驗(yàn)儀器ZKY-FH型智能夫蘭克-

8、赫茲實(shí)驗(yàn)儀，微機(jī)等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1. 自動(dòng)測(cè)試2.使用計(jì)算機(jī)測(cè)繪lAUG2K曲線(xiàn)五、考前須知1. 連接測(cè)試儀與管子間的連線(xiàn)是，注意 A,G ,H ,K , 必須一一對(duì)應(yīng)，不可接 錯(cuò)。2. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)U32K較大時(shí)，管子有擊穿的可能。如果管子一旦被擊穿， 電流會(huì)突然增加，此時(shí)應(yīng)迅速把 UG2K降低，以防損壞管子。六、數(shù)據(jù)處理：根據(jù) 只改變燈絲電壓時(shí)，峰值谷值數(shù)據(jù) 第一柵壓 2.0 拒斥電壓 8.0V根據(jù)數(shù)據(jù)可求：1 當(dāng)燈絲電壓Uf=3.lV時(shí)，U谷平與理論值的誤差n谷=1.08%, n峰=2.17%根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)Uo= U谷平+ U峰平/ 2=11.3V

9、，與理論值誤差 n=1.7%同理：2. 當(dāng)燈絲電壓Uf=3.3V時(shí)，U谷平與理論值的誤差 n 谷=0，n峰=1.08% 根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)Uo= U谷平+ U峰平/ 2=11.44 V，與理論值誤差 n=0.5%3. 當(dāng)燈絲電壓Uf=3.5V時(shí)，U谷平與理論值的誤差 n谷=2.18%, n峰=3.26% 根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)U0= U谷平+ U峰平/ 2=11.4375V,與理論值誤差 n=0.54%4.當(dāng)燈絲電壓Uf=3.7V時(shí)，U谷平與理論值的誤差 n谷=3.9%, n峰=0根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)Uo= U谷平+

10、 U峰平/ 2=11.725 V,與理論值誤差 n=2.0%由以上數(shù)據(jù)計(jì)算得出： 實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)合理， 求得的氫原子第一激發(fā)電 勢(shì)在誤差允許范圍內(nèi)。根據(jù) 只改變拒斥電壓時(shí)，峰值谷值數(shù)據(jù)燈絲電壓3.5v,第一柵壓2.0v.根據(jù)數(shù)據(jù)可求：1. 當(dāng)拒斥電壓Uglk=6.0V時(shí)，U谷平與理論值的誤差 n谷=0，n峰=3.26%根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)U0= U谷平+ U峰平/ 2=11.3125 V，與理論值誤差 n=1.6%2. 當(dāng)拒斥電壓Ug1k=7.0V時(shí)，U谷平與理論值的誤差n谷=0，n峰=2.17%根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)U0= U谷平+ U峰平/

11、2=11.375 V，與理論值誤差 n=1.08%3. 當(dāng)拒斥電壓Ug1k=8.0V時(shí)，U谷平與理論值的誤差n谷=2.17%,n峰=3.26%根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)U0= U谷平+ U峰平/ 2=11.4375 V，與理論值誤差 n=0.54%4. 當(dāng)拒斥電壓Ug1k=9.0V時(shí)，U谷平與理論值的誤差n谷=1.08%，n峰=2.17% 根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)U0= U谷平+ U峰平/ 2=11.3 V，與理論值誤差 n=1.7%由以上數(shù)據(jù)計(jì)算得出： 實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)合理， 求得的氫原子第一激發(fā)電勢(shì)在誤差允許范圍內(nèi)。根據(jù) 只改變第一柵壓時(shí)，峰值谷值數(shù)據(jù)

12、燈絲電壓3.5v拒斥電壓8.0v根據(jù)數(shù)據(jù)可求：1. 當(dāng)?shù)谝粬艍篣g2a=1.8v時(shí)，U谷平與理論值的誤差n谷=1.08%, n峰=1.06%根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)Uo= U谷平+ U峰平/ 2=11.5 V，與理論值誤差 n=02. 當(dāng)?shù)谝粬艍篣g2a=2.0v時(shí)，U谷平與理論值的誤差 n谷=0，n峰=3.26%根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)電勢(shì)U0= U谷平+ U峰平/ 2=11.4375 V，與理論值誤差 n=0.54%3. 當(dāng)?shù)谝粬艍篣g2a=2.2v時(shí)，U谷平與理論值的誤差n谷=1.08%, n峰=1.06%根據(jù)峰谷的結(jié)果取平均值求得氫原子的第一激發(fā)

13、電勢(shì)U0= U谷平+ U峰平/ 2=11.5 V，與理論值誤差 n=0由以上數(shù)據(jù)計(jì)算得出：實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)合理， 求得的氫原子第一激發(fā)電勢(shì)在誤差允許范圍內(nèi)1.改變燈絲電壓，研究其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響：圖一燈絲電壓改變時(shí)曲線(xiàn)比照?qǐng)D+系列1 系列2T-系列3 a系列4通過(guò)比擬有：(1) 燈絲電壓的變化對(duì)極板電流的影響非常劇烈；(2) 在其他條件相同的情況下，燈絲電壓越高，極板電流越大。(3) 不同曲線(xiàn)峰值谷值在出現(xiàn)在相同電壓時(shí)出現(xiàn)。分析：燈絲電壓變大導(dǎo)致燈絲實(shí)際功率變大， 燈絲的溫度升高，從而在其他參數(shù) 不變得情況下，單位時(shí)間到達(dá)極板的電子數(shù)增加，從而極板電流增大。燈絲電 壓不能過(guò)高或過(guò)低。因?yàn)闊艚z電壓的上下

14、，確定了陰極的工作溫度，按照熱電 子發(fā)射的規(guī)律，影響陰極熱電子的發(fā)射能力。燈絲電位低，陰極的發(fā)射電子的 能力減小，使得在碰撞區(qū)與汞原子相碰撞的電子減少，從而使板極A所檢測(cè)到的電流減小，給檢測(cè)帶來(lái)困難，從而致使Ia-Ugk曲線(xiàn)的分辨率下降；燈絲電壓 高，按照上面的分析，燈絲電壓的提高能提高電流的分辨率。 但燈絲電壓高，致 使陰極的熱電子發(fā)射能力增加，同時(shí)電子的初速增大，弓I起逃逸電子增多，相 鄰峰、谷值的差值卻減小了。2.改變拒斥電壓，研究其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響圖二拒斥電壓改變時(shí)曲線(xiàn)比照?qǐng)DAUN+系列1 系列2T-系列3 s系列4曲線(xiàn)分析：隨著拒斥電壓增大，曲線(xiàn)下移，峰值谷值都相應(yīng)降低。燈絲電壓不變，拒

15、斥電壓變大，被拒斥極阻擋的電子變多，到達(dá)陽(yáng)極的電子減少，陽(yáng)極電流變小。這時(shí)需要更大的陽(yáng)極電壓才能到達(dá)同樣的電流，所以實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)向下移動(dòng)。3只改變第一柵壓，研究其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響圖三 第一柵壓改變時(shí)曲線(xiàn)比照?qǐng)DU/V曲線(xiàn)分析：當(dāng)?shù)谝粬艍涸龃蠡蛘邷p小時(shí)曲線(xiàn)都會(huì)相應(yīng)下移， 并且隨增大多少下移 幅度接近。七、思考與討論(1) 燈絲電壓對(duì)F H實(shí)驗(yàn)的I AUG2K曲線(xiàn)形狀有何影響？對(duì)第一激發(fā)電勢(shì) 的測(cè)量有何影響？答:燈絲電壓的變化對(duì)極板電流的影響非常劇烈， 使曲線(xiàn)變得細(xì)高，但對(duì)第 一激發(fā)電勢(shì)根本無(wú)影響。(2) 從I AUG2K曲線(xiàn)上可以看到陽(yáng)極電流并不是突然下降，而是有一個(gè)變化 的過(guò)程，這是為什么？答：因?yàn)殛?yáng)極發(fā)射的電子的初始速度各異， 服從一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律，故陽(yáng)極電流 并非突然下降，而有一定的變化過(guò)程。(3) 從I AUG2K曲線(xiàn)可看出，Ia值在出現(xiàn)峰值后并不是降為零，為什么？ 答：并不是每一個(gè)電子都可能會(huì)與氫原子相碰， 沒(méi)有發(fā)生碰撞的電子到達(dá)陽(yáng)極，從而使電流不會(huì)降為零。八、實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過(guò)本實(shí)驗(yàn)我學(xué)會(huì)了夫蘭克 -赫茲實(shí)驗(yàn)儀的使用，了解了實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)波爾理論 有了更深一步的認(rèn)識(shí)，同時(shí)學(xué)會(huì)了將微觀(guān)過(guò)程與宏觀(guān)過(guò)程物理量相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)法。首先在實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)候，由于實(shí)驗(yàn)比擬繁雜，而且需要的時(shí)間較久，所以做實(shí) 驗(yàn)時(shí)需要足夠的耐心，還有細(xì)心。否那么一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤。又要重新開(kāi)始繁瑣的細(xì)