弗兰克—赫兹实验.docx

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1、弗兰克一赫兹实验实验题目：弗兰克赫兹(F H)实验实验原理：1跃迁原理根据波尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一个定态 相应一定的能量常称为能级，其数值彼此分立的，原子在能级间进行 跃迁时吸收或发射确定频率的光子。然而，原子若与一定能量的电子 发生碰撞，也可以使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克赫兹实验 正是利用电子和原子的碰撞来实现这种跃迁。通过控制加速电压U ,来控制电子的动能221mV ,当221122n m ell mV E E mV=二-+式中n m E E ,表示碰撞前后能级的能 日I,v V指碰撞前后电子的速度。如果，l,O= = n m跃迁到第一激发态；如果n 2ooeV

2、反）时，就能冲向反向拒斥电压而达到极板形成电流，为微流计uA 表测出，如果电子在碰撞区与汞原子碰撞，把自己的一部分能量传给汞原子，而使汞原子激发，这样电子本身所剩的能量 就减小，以至于通过第二栅极后不足于克服拒斥电场而被斥回到第二 栅极，这时微流计uA表的电流将显著减小，由汞原子的能级特点决定 电流呈规律性的变化。4测汞的第一激发态电位的原理测汞的第一激发态电位的电路图如图4所示，第一栅极G 1的作 用主要是消除空间电荷对阴极发射电子的影响。图5所示的曲线反映 了汞原子在KG 2空间与电子进行能量交换的情况。当KG 2空间电压 逐渐增加时，电子在KG 2空间被加速而取得越来越大的能量。但起始

3、阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子 相碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）。穿过第二栅极的电子 所形成的板极电流AI将随第二栅极电压KGU2的增加而增大（如图 5的0a段）。当G 2K间的电压达到汞原子的第一激发电位0U时， 电子在第二栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全 部能量交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身 由于把全部能量给了汞原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒 斥电场而被折回第二栅极（被筛选掉）。所以板极电流将显著减小 （图5所示ab段）。随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随 之增加，在与汞原子相碰撞后还留下足够

4、的能量，可以克服反向拒斥 电场而达到板极A ,这时电流又开始上升（be段）。直到G2K间电 压是二倍汞原子的第一激发电位时，电子在G2K间又会因二次碰撞而 失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降（cd段），同理，凡 G 2K之间电压满足：0G2K nU U = （,3,2,1 =n .）时板极电流A I都会相应下跌，形成规则起伏变化的KG AUI2-曲线。而各次板极电流A I达到峰值时相对应的加速电压差n n U U- + 1,即两相邻峰值之间的加速电压差值就是汞原子的第一激发电位值0U 05测汞的较高激发态电位的原理在测汞的第一激发态电位的实验中，电子一般很难达到超过 4.9eV的能量。

5、所以它只能用于测量汞原子的第一激发能。如何在管 中实现较高能级的激发呢？首先要获得较高能量的电子，其次要提高 电子在碰撞区内与原子碰撞的几率。在加速区中，由于路径短，能有 较多的电子不与汞原子发生碰撞，这样电子进入碰撞区时能有高于 4.9eV的能量。为了提高电子在碰撞区内与原子碰撞的几率，在设计 时，使第一栅极G 1与第二栅极G 2的间距大于电子的平均自由程， 实验时，把它们连在一起，形成一个等势区。图6给出测量的电路图, 等势区内的电场梯度为碰撞区的补偿电位。由此电路图所得的碰撞的 能量交换的曲线如图7所示。碰撞和能量交换过程，以及板极电流的 形成与第一激发态的过程相似，只是图中显示有多个峰

6、和谷，且大小 不一，间距不等，这与第一激发态的规律不同。这是因为这些峰，可 能是较高能量的电子与汞原子碰撞，直接把汞原子激发到较高激发态 产生的，或者可能是多个能级所产生的峰的叠加，以及各个能级的稳 定度不同，及碰撞几率不等等产生的。* 1实验内容:1 .熟悉实验装置，掌握实验条件.测量汞的第一激发电位； 3.测量氮的第一激发电位； 实验仪器和步骤:1实验仪器本实验所用仪器有：FH 1型充汞夫兰克一赫兹管，FH 1型控制加热炉，FH 1型微电流放大器和扫描电源，FH 1型电源组。2实验步骤(1)打开控温仪电流开关，旋转控温旋钮，设定实验所需的温度。 打开FH 1型微电流放大器和扫描电源，FH

7、1型电源组开关预热。(2 )用导线将各仪器按电路图正确连接起来。(3 )将V F和手动调节电位器旋转到最小，扫描选择置”手动”档，极性选择置负档。(4)待炉温达到预热温度后(以温度盘指针为准)，接通两台仪 器的电源，按实验所需的参考电压数据，分别调节好V Fl、V Gl、VG2。扫描选择置自动档，定性观察板流的变化。(5 )扫描选择置手动”档，缓慢调节手动调节电位器，从0至适当值(须小于70V !)逐渐增大加速电压V G2K ,定性观察板流的变化，粗测峰、谷”的位置，注意选择微电流测试仪的量程和倍率(X10-7或 X10-8)，使板流最大值不超过量程。(6)在粗测调整适宜的基础上，从V G2K

8、最小开始逐点记录VG2K和IA值，在电流变化较大时，应增加测量点。(7 )根据实验所 需，按照不同灯丝电压或温度数据，以及不同的实验内容重复1-6步 骤。(8)用逐差法算出汞原子第一激发电位，和从数据中找出较高激 发电位和电离电位，并与公认值相比较，算出测量相对误差和不确定 度范围。以I为纵坐标，V G2K (或V G2 )为横坐标，画出不同温度 和不同灯丝电压下的I- V G2K (或I- V G2 )曲线，并分析讨论这些 物理参数对实验曲线的影响。实验数据：1.汞的测量数据：U/V I 升/10-8pA I 降/10-8pA0.5 0.0 0.0 1.0 0.1 0.0 1.5 0.1 0

9、.0 2.0 0.1 0.1 2.5 0.2 0.0 3.0 0.20.1 3.5 0.4 0.1 4.0 0.4 0.2 4.5 0.4 0.4 5.0 0.6 0.8 5.5 1.0 0.9 6.0 1.21.1 6.5 1.4 1.2 7.0 1.1 1.07.5 0.9 0.5 8.0 1.0 0.8 8.5 1.2 1.0 9.0 1.5 1.5 9.5 1.8 2.0 10.0 2.02.5 10.5 2.2 3.0 11.0 2.8 4.0 11.5 2.9 4.1 12.0 1.6 2.1 12.5 1.4 1.0 13.0 2.1 1.5 13.52.82.114.0 3.9

10、 3.114.5 4.8 4.515.0 5.9 6.015.5 6.4 7.116.0 7.2 8.116.5 6.8 8.117.0 3.4 4.517.5 3.1 2.318.0 3.9 2.718.5 5.0 4.019.0 6.1 5.919.5 7.2 7.320.0 8.2 9.120.5 8.7 10.621.0 9.2 11.921.5 8.5 11.122.0 5.5 7.822.5 4.7 5.023.5 6.3 6.024.0 8.2 8.024.5 9.5 9.625.0 10.8 11.525,5 11.5 14.026.0 11.9 15.926.5 10.7 1

11、5.827.0 8.7 12.127.5 6.8 8.928.0 6.4 7.228.5 7.5 8.129.0 9.1 10.029.5 10.9 12.030.0 12.8 15.030.5 14.3 18.131.0 15.2 20.031.5 14.2 20.032.0 11.9 17.032.5 9.2 13.033.0 8.5 10.833.5 9.1 10.834.0 10.5 12.234.5 12.2 15.035.0 14.6 17.635.5 17.2 18.136.0 18.2 19.736.5 17.6 20.137.0 15.6 18.837.5 13.1 16.0

12、38.0 11.6 13.138.5 11.5 12.539.0 12.5 13.139.5 14.5 15.140.0 17.2 18.240.5 19.8 21.241.0 21.0 21.641.5 21.2 22.542.0 20.2 22.042.5 18.4 20.143.0 16.6 18.843.5 15.9 17.844.0 16.5 18.144.5 18.7 19.245.0 20.5 20.52.氮的测量数据: U/10VI /10nA 0.50 0.321.00 0.331.50 0.322.00 0322.50 0.323.00 0323.50 0.324.00 0.324.50 0.325.00 0.325.50 0.326.00 0.326.50 0.327.00 0.327.50 0.328.00 0.328.50 0.329.00 0.329.50 0.3210.00 0.3210.50 0.3211.00 03311.50 0.3412.00 0.3812.50 0.4213.00 0.4613.50 0.5014.00 0.5614.50 0.6015.00 0.6515.50 0.62