北京大學弗蘭克-赫茲實驗報告(F-H)

1、弗蘭克-赫茲實驗【實驗目的】(1)了解弗蘭克-赫茲實驗用伏-安特性曲線證明原子存在能級的原理和方法(2)學習用伏-安法測量非線性器件(3)學習微電流的測量【儀器用具】儀器名參數(shù)F-H-II 弗蘭克赫茲實驗儀F-H-II 弗蘭克赫茲實驗儀微電流放大器10-7檔F-H-II 弗蘭克赫茲實驗儀電源組VF 05V 2.5級VG1K 05V2.5級VG2P015V 2.5級Victor VC9806+數(shù)字萬用表200mV檔±(0.5%+4)【實驗原理】(1) 原子的受激輻射玻爾的氫原理理論指出，原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（稱為定態(tài)）。這些定態(tài)的能量（稱為能級）是不連續(xù)分布的，其中能級最

2、低的狀態(tài)稱為基態(tài)。原子在兩個定態(tài)之間發(fā)生躍遷時，要吸收或發(fā)射一定的能量，該能量等于兩個定態(tài)之間的能量差Emn=Em-En原子在能級之間的躍遷可以通過有一定能量的電子與原子碰撞交換能量來實現(xiàn)。初速度為零的電子經(jīng)過電勢差U0加速獲得能量eU0，當這些電子與稀薄氣體（例如汞）發(fā)生碰撞，就會發(fā)生能量交換。當電子能量滿足eU0=Emn便會使得原子從En被激發(fā)到Em，電子能量被吸收。(2) 弗蘭克-赫茲實驗圖1弗蘭克-赫茲裝置示意圖圖1是弗蘭克-赫茲實驗裝置示意圖。圖中左側(cè)為弗蘭克-赫茲管（F-H管），它是一種密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量較大的汞或惰性氣體原子。在這里燈絲用來對陰極K加熱，使其發(fā)射熱

3、電子。燈絲電壓UF越高，陰極K發(fā)射的電子流也就越大。第一柵極G1的主要作用是消除空間電荷對陰極電子發(fā)射的影響。第二柵極G2的作用是在G2和K之間形成對電子加速的靜電場。發(fā)射的電子穿過柵極G2達到極板P，形成板流IP。板流IP的大小由微電流測試儀進行測量。在板極P和G2之間加有一反向電壓，它對電子減速，使經(jīng)過碰撞后動能非常低的電子折回。由熱陰極發(fā)射的電子初速度為零，受加速電場VG2K作用，VG2K較低時，電子能量小于原子的激發(fā)能，電子與汞原子只能發(fā)生彈性碰撞。當VG2K增大到原子的第一激發(fā)電位時，電子與原子間就產(chǎn)生非彈性碰撞，汞原子吸收電子的能量，由基態(tài)被激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)。電子損失能量后不能穿越

4、拒斥場，引起板流IP聚減，于是IP-VG2K特性曲線上出現(xiàn)第一個峰值。VG2K繼續(xù)增大，電子經(jīng)第一次非彈性碰撞后的剩余能量足以使其與汞原子產(chǎn)生第二次非彈性碰撞，汞原子再次從電子中取得能量，能量交換的結(jié)果使IP再次下降。峰間距正是第一激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能極差，在本次實驗中，通過測量各個峰值并對其進行線性擬合可以更準確地測得能極差。(3) 實驗裝置圖2四柵式F-H管實驗儀器如圖2所示，儀器分為三部分。加熱爐和控溫儀：中有FH管，保持FH處于預定溫度中電源組：包括三組獨立的穩(wěn)壓電源，分別提供VF燈絲加熱電源，VG1K控制電子束強度的加速電壓，VG2P減速用的反向電壓微電流放大器：將板流IP并輸出Uout

5、，本次試驗中用Uout代替IP【實驗步驟】1. 預熱汞管至180度2. 如圖2所示搭建實驗裝置3. 根據(jù)參考數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)VFVG1KVG2P，在允許范圍內(nèi)使得峰谷比較明顯4. 調(diào)節(jié)VG2K，粗測Uout-VG2K，了解峰出現(xiàn)的范圍5. 緩慢調(diào)節(jié)VG2K，細測Uout-VG2K曲線6. 換用氬管，重復上述步驟【實驗數(shù)據(jù)及處理】1. 汞HgUout-VG2K峰值粗側(cè)n1234567VG2K/V9.213.818.623.528.433.338.3(1) Uout-VG2K數(shù)據(jù)表VF=3.0 V VG1K=2.8 V VG2P=1.4V T=180VG2K(V)Uout(mV)0.0 -1.55 0.5

6、 -1.45 1.0 -1.26 1.5 -0.94 2.0 -0.59 2.5 -0.40 3.0 -0.60 3.5 -0.30 4.0 -0.29 4.5 0.28 5.0 0.36 5.5 0.27 6.0 0.49 6.5 1.83 7.0 2.80 7.5 4.59 8.0 9.80 8.2 10.40 8.3 12.20 8.4 13.32 8.5 14.06 8.6 15.48 8.7 16.40 8.8 16.64 8.9 17.98 9.0 18.43 9.1 18.95 9.2 18.46 9.3 18.55 9.4 18.26 9.5 18.18 9.6 17.06 V

7、G2K(V)Uout(mV)9.7 16.41 9.8 15.71 9.9 14.42 10.0 14.07 10.1 12.89 10.2 11.58 10.5 9.88 11.0 10.09 11.5 16.64 12.0 25.33 12.5 35.56 12.8 41.02 12.9 43.28 13.0 45.80 13.1 47.28 13.2 49.23 13.3 51.84 13.4 52.96 13.5 54.06 13.6 55.94 13.7 56.14 13.8 56.26 13.9 55.59 14.0 54.78 14.1 53.03 14.2 50.77 14.3

8、 47.80 14.4 43.72 14.5 38.18 14.6 35.28 14.7 30.03 14.8 27.33 VG2K(V)Uout(mV)15.0 21.34 15.5 17.37 16.0 26.59 16.5 44.00 17.0 60.83 17.5 77.82 17.6 79.96 17.7 80.39 17.8 85.10 17.9 86.90 18.0 90.25 18.1 92.64 18.2 94.54 18.3 96.74 18.4 99.00 18.5 99.30 18.6 99.63 18.7 98.88 18.8 96.85 18.9 91.94 19.

9、0 87.73 19.1 84.07 19.2 80.83 19.3 73.50 19.4 63.24 19.5 54.91 19.6 47.29 20.0 26.45 20.5 27.51 21.0 47.77 21.5 71.50 22.0 93.55 VG2K(V)Uout(mV)22.5 116.84 22.6 120.34 22.7 118.36 22.8 122.53 22.9 124.54 23.0 128.03 23.1 130.42 23.2 132.76 23.3 134.70 23.4 134.98 23.5 135.14 23.6 133.80 23.7 131.34

10、23.8 126.08 23.9 120.32 24.0 116.06 24.1 106.65 24.2 97.78 24.3 87.46 24.4 71.18 24.5 65.21 25.0 31.82 25.5 38.30 26.0 66.02 26.5 95.97 27.0 122.27 27.4 142.37 27.5 143.05 27.6 146.66 27.7 148.41 27.8 152.97 27.9 156.87 28.0 158.12 28.1 158.96 28.2 159.41 28.3 159.53 VG2K(V)Uout(mV)28.4 159.41 28.5

11、158.97 28.6 158.13 28.7 155.93 28.8 150.87 28.9 145.40 29.0 136.25 29.1 123.33 29.2 113.82 29.3 105.45 29.4 95.83 29.5 80.49 30.0 44.70 30.5 53.97 31.0 85.22 31.5 113.83 32.0 141.78 32.3 156.47 32.4 156.83 32.5 159.78 32.6 160.27 32.7 161.14 32.8 161.65 32.9 162.22 33.0 162.45 33.1 162.73 33.2 163.0

12、6 33.3 162.96 33.4 162.99 33.5 162.86 33.6 162.50 33.7 161.71 33.8 161.42 33.9 159.53 34.0 155.85 34.1 146.66 VG2K(V)Uout(mV)34.2 136.11 34.3 127.25 34.5 103.83 35.0 62.16 35.5 65.60 36.0 96.20 36.5 124.25 37.0 156.21 37.3 161.25 37.4 162.22 37.5 162.97 37.6 163.14 37.7 163.59 37.8 164.06 37.9 164.3

13、4 38.0 164.39 38.1 164.65 38.2 164.69 38.3 164.71 38.4 164.67 38.5 164.60 38.6 164.50 38.7 164.10 38.8 163.64 38.9 162.76 39.0 161.82 39.1 158.10 39.2 152.61 39.3 140.11 39.5 125.78 40.0 81.01 40.5 79.34 41.0 103.25 41.5 135.25 42.0 159.88 (2) Uout-VG2K峰值表n1234567VG2K/V9.113.818.623.528.333.438.3利用公

14、式VG2K=a+U1n線性擬合得U1=4.875 V相關(guān)系數(shù) r=0.99988U1=U11R2-1N-2=0.04 VU1=4.88±0.04 V (3) 分析改變VG2P時，Uout-VG2K后兩個峰的改變。很顯然，因為VG2P是減速電壓，當它增大時，對應每處橫坐標VG2K的I都相應減小，所以曲線有向下的位移。反之，當它減小時，曲線上移。2. 氬Ar(1) Uout-VG2K數(shù)據(jù)表VF=2.4 V VG1K=2.2 V VG2P=7.5VVG2K(V)Uout(mV)0.0 -6.55 1.0 -6.65 2.0 -6.73 3.0 -6.84 4.0 -6.91 5.0 -6.

15、87 6.0 -6.88 7.0 -6.88 8.0 -6.87 9.0 -6.68 10.0 -5.97 11.0 -3.83 12.0 -0.12 13.0 6.90 14.0 19.77 15.0 35.72 15.4 41.88 15.8 43.01 VG2K(V)Uout(mV)16.2 44.37 16.6 46.08 17.0 45.95 17.4 44.00 17.8 42.20 18.2 38.71 18.6 33.87 19.0 27.64 19.4 21.04 20.0 12.39 21.0 2.35 22.0 -1.78 23.0 4.65 24.0 29.30 25.

16、0 58.61 26.0 73.57 26.6 72.26 27.0 80.03 VG2K(V)Uout(mV)27.4 82.82 27.8 83.69 28.2 83.10 28.6 82.32 29.0 79.51 29.4 73.31 29.8 66.60 30.2 56.57 30.6 46.21 31.0 31.51 32.0 5.78 33.0 -3.54 34.0 -0.75 35.0 26.16 36.0 56.15 37.0 81.24 38.0 98.77 38.4 102.09 VG2K(V)Uout(mV)38.8 105.98 39.2 109.22 39.6 11

17、1.12 40.0 111.83 40.4 111.49 40.8 108.96 41.2 105.29 41.6 97.98 42.0 89.51 42.4 77.86 43.0 56.67 44.0 25.59 45.0 7.67 46.0 13.94 47.0 43.12 48.0 70.11 49.0 96.86 50.0 118.84 50.8 131.90 51.2 136.57 51.6 140.39 52.0 142.61 52.4 144.99 52.8 145.20 53.2 143.39 VG2K(V)Uout(mV)53.6 140.03 54.0 134.94 54.

18、4 126.70 54.8 116.57 55.0 111.97 56.0 80.72 57.0 53.47 58.0 46.49 59.0 62.83 60.0 86.73 61.0 112.91 62.0 141.59 63.0 162.59 63.4 171.04 63.8 179.38 64.2 184.98 64.6 190.70 65.0 194.56 65.4 197.27 65.8 197.81 66.2 196.39 66.6 193.70 67.0 188.83 67.4 182.91 68.0 170.13 VG2K(V)Uout(mV)69.0 144.38 70.0 126.00 71.0 120.60 72.0 129.53 73.0 147.85 74.0 170.99 75.0 197.84 76.0 223.1 77.0 246.1 77.6 257.1 78.0 263.7 78.4 268.6 78.8 272.5 79.2 274.4 79.6 275.1 80.0 274.8 80.4 272.8 80.8 271.2 8