弗兰克—赫兹实验报告

弗兰克—赫兹实验

一、实验目的

1、了解弗兰克--赫兹试验的原理和方法；

2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法；

3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。

二、实验原理

玻尔提出的原子理论指出：原子只能较长地停留在一些稳定的状态。原子在这种状态时，不发射或吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔得。原子的能量不论通过什么方式改变，它只能从一个状态跃迁代另一个状态。原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时，辐射的频率是一定的。于是有如下关系：

n E

m E hv -=，

式中，h 为普朗克常数。为了使原子从低能级想高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与燕子相碰撞进行能量交换的办法来实现。

图1 弗兰克-赫兹管结构图

夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K ，板极A ，G 1 、G 2分别为第一、第二栅极。

K-G 1-G 2加正向电压，为电子提供能量。1G K U 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G 2-A 加反向电压，形成拒斥电场。

电子从K 发出，在K-G 2区间获得能量，在G 2-A 区间损失能量。如果电子进入G 2-A 区域时动能大于或等于e 2G A U ，就能到达板极形成板极电流I .

电子在不同区间的情况：

1. K-G 1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。

2. G 1-G 2区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差

E ＝E 2E 1 时，氩原子基本不吸收电子

的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到E ，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。

E 称为临界能量。

3. G 2-A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eU G2A 则不能达到板极。

由此可见，若eUG2K<

E ，则电子带着

eUG2K 的能量进入G2-A 区域。随着UG2K 的增加，电流I 增加（如图2中Oa 段）。

若eUG2K ＝

E 则电子在达到G2处刚够临

界能量，不过它立即开始消耗能量了。继续增大

UG2K ，电子能量被吸收的概率逐渐增加，板极电流逐渐下降（如图2中ab 段）。

继续增大UG2K ，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc 段）。

若eUG2K>n

E 则电子在进入G2-A 区域之前可能n 次被氩原子碰撞而损

失能量。板极电流I 随加速电压

2G K

U 变化曲线就形成n 个峰值，如图2所示。

图2弗兰克-赫兹实验2

G K U ～I 曲线

a b

c

I (nA)

2G K (V)

U O U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 7

相邻峰值之间的电压差U称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差：E= e U

三、实验内容及操作步骤

1．正确连接电路；

2．启动预热；

3．手动测量；

4. 调节电压，纪录数据；

5. 绘制A GK

I U

曲线；

6. 数据处理。

UG 2k 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55

IA0000000000

UG 2k 10.51111.51212.51313.51414.515

IA0000000000

UG 2k 20.52121.52222.52323.52424.525

IA 1.82 2.2 2.4 2.633 3.1 3.2 3.3

UG 2k 30.53131.53232.53333.53434.535

IA 2.2 2.4 2.73 3.4 3.8 4.3 4.7 5.2 5.5

UG 2k 40.54141.54242.54343.54444.545 3 2.4 2.1 1.8 1.9 2.33 3.7 4.6 5.3

UG 2k 50.55151.55252.55353.55454.555

IA 5.8 4.9 3.9 2.9 2.2 1.6 1.2 1.3 1.8 2.6

UG 2k 60.56161.56262.56363.56464.565

IA9.69.28.57.6 6.6 5.4 4.3 3.1 2.1 1.4

UG 2k 70.57171.57272.57373.57474.575

IA10.410.911.211.311.110.710.19.28.1 6.9

UG 2k 80.58181.58282.58383.58484.585

IA7.18.59.410.511.311.912.312.612.612.3

UG 2k 90.5 91 91.5 92 92.5 93 93.5 94 94.5 95 IA 3.7 4 4.9 5.8 6.9 8.2 9.2 10.2 11 11.9 UG 2k 100.5 101 101.5 102 102.5 103 103.5 104 104.5 105 IA 9.5 8.4 7.4 6.7 6.2 6.1 6.2 6.6 7.2 8.1 UG 2k 110.5 111 111.5 112 112.5 113 113.5 114 114.5 115 IA

14.8

14.7

14.2

13.7

13.1

12.3

11.5

10.8

10.1

9.7

A GK I U 曲线 数据处理：

U1=26.5V U2=37.0V U3=48.5V U4=60.5V U5=71.5V U6=83.5V U7=96.0V U8=109.0 用逐差法计算第一激发电位可得：

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) =11.71875V ≈11.7V

四、思考题

能否用氢气代替氩气，为什么？