弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告 弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 姓名：xxx學(xué)號(hào)：xxxxxxxxxx 班級(jí)：本碩xxx班 實(shí)驗(yàn)期：xxx年10 13 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn) 【實(shí)驗(yàn)的】 1、測(cè)量氬原的第激發(fā)電勢(shì)，證明原能級(jí)的存在，從加深對(duì)量化概念的認(rèn)識(shí)。 2、加深對(duì)熱電發(fā)射的理解，學(xué)習(xí)將電與原碰撞微觀過(guò)程與宏觀物理量相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 法。 【歷史背景】 1911年，盧瑟福根據(jù)粒散射實(shí)驗(yàn)，提出了原核模型。1913年，玻爾將普朗克量假說(shuō)運(yùn) 到原有核模型，建了與經(jīng)典理論相違背的兩個(gè)重要概念：原定態(tài)能級(jí)和能級(jí)躍遷概念。電在能 級(jí)之間遷躍時(shí)伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的取決于原所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差，并 滿普朗克頻率定則

2、。隨著英國(guó)物理學(xué)家埃萬(wàn)斯(E.J.Evans)對(duì)光譜的研究，玻爾理論被確。 1914年，德國(guó)科學(xué)家夫蘭克和他的助赫茲采慢電與稀薄體中原碰撞的法(與光譜研究 相獨(dú))，簡(jiǎn)單巧妙地直接證實(shí)了原能級(jí)的存在，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)原的可控激發(fā)。 1925年，由于他的卓越貢獻(xiàn)，他們獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)今仍是 探索原內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要段之。所以，在近代物理實(shí)驗(yàn)中，仍把它作為傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。 【實(shí)驗(yàn)原理】 根據(jù)玻爾的原理論，原只能處于系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每種狀態(tài)相應(yīng)于定的 能量值Ei(i=1,2,3)，這些能量值稱(chēng)為能級(jí)。最低能級(jí)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)，其它能級(jí)所對(duì)應(yīng)的態(tài) 稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。 當(dāng)原

3、從個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到另個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)就會(huì)吸收或輻射定頻率的電磁波，頻率決定 于原所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差，并滿普朗克頻率選擇定則： ( h為普朗克常數(shù)) 本實(shí)驗(yàn)中是利定能量的電與原碰撞交換能量實(shí)現(xiàn)，并滿能量選擇定則： ev=E-E(1) 110 E為第激發(fā)能量(第激發(fā)態(tài)是距基態(tài)最近的個(gè)能態(tài))，E為基態(tài)能量，ev為該原第激發(fā) 能。式(1)中，101實(shí)驗(yàn)原理如圖(1)所：在充氬的夫蘭克赫茲管中，電由陰極K發(fā)出，陰極K和第 柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第柵極G2之間的加速電壓VG2K使電加速。在極板A和第柵 極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2A。 注意：第柵極G1和陰極K之間的加速電壓VG1K約2V，

4、于消除空間電荷對(duì)發(fā)射電的影響。 當(dāng)燈絲加熱時(shí)，陰極被燈絲灼熱發(fā)射電，電在G1和G2間的電場(chǎng)作下被加速取得越來(lái)越 的能量，但在起始階段，由于電壓VG2K較低，電的能量較，即使在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它與原相碰 撞(彈性碰撞)的能量交換常，此時(shí)可認(rèn)為它們之間沒(méi)有能量交換。這樣，穿過(guò)第柵極的電所形 成的電流IA隨第柵極電壓VG2K的增加增加。 當(dāng)VG2K達(dá)到氬原的第激發(fā)電位時(shí)，電在第柵極附近與氬原相碰撞(此時(shí)產(chǎn)彈性碰 撞)。電把從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量傳遞給氬原，使氬原從基態(tài)激發(fā)到第激發(fā)態(tài)，電 本由于把全部能量傳遞給了氬原，它即使穿過(guò)了第柵極，也不能克服反向拒斥電壓被折回第 柵極。所以陽(yáng)極電流IA將顯著減。

5、氬原在第激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時(shí)以光量形式 向外輻射能量。以后隨著第柵極電壓VG2K的增加，電的能量也隨之增加，與氬原相碰撞后還留 下夠的能量，這就可以克服拒斥電壓的作到達(dá)陽(yáng)極A，這時(shí)電流開(kāi)始上升，直到VG2K是2倍 氬原的第激發(fā)電位時(shí)，電在G2和K之間會(huì)因第次彈性碰撞失去能量，因造成了第 次陽(yáng)極電流IA的下降，這種能量轉(zhuǎn)移隨著加速電壓的增加呈周期性的變化。 若以VG2K為橫坐標(biāo)，以陽(yáng)極電流值IA為縱坐標(biāo)就可以得到譜峰曲線，兩相鄰點(diǎn)(或峰尖)間的加 速電壓值，即為氬原的第激發(fā)電位值。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了夫蘭克赫茲管內(nèi)的電緩慢的與氬原碰撞，能使原從低能級(jí)被激發(fā)到能 級(jí)，通過(guò)測(cè)量氬的第激發(fā)電

6、位值(13.1V是個(gè)定值，即吸收和發(fā)射的能量是完全確定的，不連續(xù) 的)，也就是說(shuō)明了原內(nèi)部存在不連續(xù)的能級(jí)，即波爾原能級(jí)的存在。 【實(shí)驗(yàn)儀器】 夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀(含夫蘭克-赫茲管、微電流放器等)微機(jī)等。 【實(shí)驗(yàn)步驟】 1，撥動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，接通電源，點(diǎn)亮數(shù)碼管，將動(dòng)動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，換“動(dòng)”位置，逆時(shí)針 向旋轉(zhuǎn)“掃描幅度調(diào)節(jié)”旋鈕到最位置，預(yù)熱三分鐘后開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)。 2，將電壓分檔切換開(kāi)關(guān)撥到“5V”擋，旋轉(zhuǎn)“5V”調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓讀數(shù)為2V。這時(shí)陰極第柵極 電壓VG1K為2V。 3，將電壓分檔切換開(kāi)關(guān)撥到“15V”擋，旋轉(zhuǎn)“15V”調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓讀數(shù)為7.5V。這時(shí)陽(yáng)極第 柵極電壓VG2A(拒斥電壓)

7、為7.5V。 4，將電壓分檔切換開(kāi)關(guān)撥到“100V”擋，旋轉(zhuǎn)“100V”調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓讀數(shù)為0V。這時(shí)陽(yáng)極第 柵極電壓VG2A(加速電壓)為0V。 5，將電流顯選擇波段開(kāi)關(guān)切換到10 A擋，并調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使電流顯指為零。 6，將將動(dòng)動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，換“動(dòng)”位置，旋轉(zhuǎn)加速電壓旋鈕VG2A，同時(shí)觀察電流表，電壓 表的數(shù)變化，并根據(jù)電流表的數(shù)值調(diào)節(jié)好“電流顯選擇”檔位，隨著(加速電壓)的增加，電流表 的值出現(xiàn)周期性峰值和值，記錄相應(yīng)的電壓、電流值，以輸出電流為縱坐標(biāo)，電壓為橫坐標(biāo)，作出譜 峰曲線。 【注意事項(xiàng)】 1，實(shí)驗(yàn)中(動(dòng)檔位)電壓加到60V以后，要注意電流輸出指，當(dāng)電流表指突然驟增，應(yīng)即減 電壓

8、，以免管損壞。 2，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果要改變第柵極與陰極和第柵極與陰極之間的電壓及燈絲電壓時(shí)，要將0 100V旋鈕逆時(shí)針旋到底，在改變以上電壓值。 3，本實(shí)驗(yàn)燈絲電壓分別可以設(shè)為3V、3.5V、4V、4.5V、5V、5.5V、6.3V，可以在不同的燈絲電 壓下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。如果發(fā)現(xiàn)波形上端切頂，則陽(yáng)極輸出電流過(guò)，引起放器失真，因減燈絲電 壓。 【數(shù)據(jù)記錄及處理】 以輸出電流為縱坐標(biāo)，電壓為橫坐標(biāo)，作出譜峰曲線。 相鄰峰峰之間的電位差： U1=42.6-31.1=11.5 U2=54.3-42.6=11.7 平均值： U=(U1+U2)/2 =(11.5+11.7)/2=11.6V 相鄰之間的電位差

9、： U3=37-24.9=12.1 U4=48.1-37=11.1 平均值： U=(U3+U4)/2 =(12.1+11.1)/2=11.6V 則本實(shí)驗(yàn)測(cè)得氬原第激發(fā)電位為11.6V。 【思考題及討論】 1，第激發(fā)電位的物理含義是什么?有沒(méi)有第激發(fā)電位? 答：第激發(fā)電位：如初始能量為零的電在電位差為U0 的加速電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，則電可獲得的能 量為eU0;如果加速電壓U0恰好使電能量eU0 等于原的臨界能量，即eU0=E2E1，則U0稱(chēng)為第 激發(fā)電位，或臨界電位。 第激發(fā)電位：電碰撞原使其從基態(tài)到第激發(fā)態(tài)所需的最低能量叫第激發(fā)電位。 怎樣測(cè)第激發(fā)電位：加速電壓Ug1k和U2A都是標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，不能改變，

10、要測(cè)第激發(fā)電位需要 使電獲得能量，必須增Ug1k。 2.夫蘭克赫茲管中還能充什么其它體，為什么? 答：汞蒸或其他稀有體。因?yàn)楣菃卧?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且在常溫下是液態(tài)，只要改變 溫度就能幅度改變汞原的密度，同時(shí)還由于汞的原量，電與其原碰撞時(shí)，能量損失極 。 3、什么是能級(jí)?玻爾的能級(jí)躍遷理論是如何描述的? 答：在玻爾的原模型中，原是由原核和核外電所組成，原核位于原的中，電沿 著以核為中的各種不同直徑的軌道運(yùn)動(dòng)。在定軌道上運(yùn)動(dòng)的電，具有對(duì)應(yīng)的能量，軌道不同， 能量的也不相同。這些與軌道相聯(lián)系、不連續(xù)的能量構(gòu)成了能級(jí)。當(dāng)原狀態(tài)改變時(shí)，伴隨 著能量的變化。若原從低能級(jí)En 躍遷到能級(jí)Em，則原需吸收定的能量，該能量的為 E： E=Em-En 若電從能級(jí)Em 躍遷到低能級(jí)En，則原將放出能量E。 4，為什么IG2A-UG2K 曲線上的各點(diǎn)電流隨UG2K 的增增?