弗兰克赫兹实验报告

弗兰克-赫兹实验

一．实验目的

测量F-H 管传统情况下加速电压与板极电流的关系曲线。 二．实验原理 1.激发电势

(1)玻尔的原子理论

原子只能较长地停留在定态，原子在这些状态时，不发射也不吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分割的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。

原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的，如果用

m E 和n E 分别表示有关两定态的能量，辐射的频率ν决定如下关系：

n

m E E h -=ν

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

（2）设初速度为零的电子在电势差为0U 的加速电场作用下，获得能量

0eU ，当具有这种能量的汞电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量

交换。如以1E 代表汞原子的基态能量，2E 代表汞原子的第一激发态能量，那么当汞原子吸收从电子传递来的能量恰为

021eU E E =- （1）

汞原子就会从基态跃迁到第一激发态，相应的电势差称为汞的第一激发电势。测定出这个电势差0U ，就可以根据公式（1）求出汞原子的基态和第一激发态之间的能量差了。

2.弗兰克-赫兹管

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图一： 21G G 短接， 21G G 为等势区，电子由热阴极发出，经加速电压

K

G U 2使电

子加速，电子可达到任意位置。如果电子在空间中与汞原子碰撞，把自己一部分能量传给汞原子。从阴极射出来的电子能量不同，从小到大分布，能量大的原子

传递给汞原子能量，先进入激发状态。 图二：加速电压的正极接G 1；图三：加速电压的正极接G 2。这样连接的电路 ,能保证没有热电子打到板极上，只有正离子会从加速电压正极向板极加速运动。此时由于原子电离可以测到板极电流。 三．实验装置 1.弗兰克--赫兹管

弗兰克-赫兹管为实验仪的核心部件，弗兰克-赫兹管采用间热式阴极、双栅极和板极的四极形式，各极均为圆筒状。弗兰克--赫兹管充汞气，玻璃封装。

2.工作电源：F —H 管电源组用来提供F —H 管各极所需的工作电压。其中包括灯丝电压UF ，直流0V ～6.3V 连续可调；第一栅极电压UG1K ，直流0～5V 连续可调；第二栅极电压UG2K ，直流0～100V 连续可调。

3.扫描电源和微电流放大器：提供0～12V 的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为F —H 管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。

4.微电流测量仪：微电流放大器用来检测F —H 管的板流。

四．实验内容

1.了解弗兰克--赫兹管的结构

2.了解炉温对汞管内蒸汽浓度和电子自由程的控制，蒸汽浓度与T 为指数关系，自由程与T 成反比关系。

3.分析电子碰撞原子造成原子激发类型和退激发的后果，即造成原子能级的跳跃。原子激发类型分为：低激发、高激发、电离。并且需要的能量越来越高。 激发类型与自由程的关系：自由程越小，碰撞的机会越大，低激发概率就越大。因此：

在炉温为140摄氏度时，观察低激发态； 在炉温为100摄氏度时，观察高激发态； 在70至80摄氏度时，观察电离现象。

退激发：原子处于低激发态时是不稳定的，容易从高能级跃迁到低能级，能量通常是同u 过光辐射释放出去，在原子与原子之间传递。

3.选择外部电路，连接电路图，从0.0v 起，每隔一定的电压值调节电压源GK U ，仔细观察弗兰克-赫兹管的极板电流值p I 的变化，读出极板电流值p I 及对应的电压值GK U 。

4.自拟表格，详细记录实验条件和相应的2G K I U 值。 五．实验数据分析

14.3 21.2 14.4 24 14.5 36.7 14.6 39 14.7 42 14.8

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图四

根据实验图像可知，该图像可分为4个阶段。

第一阶段（A 点）：电流为0，说明板极上没有粒子打上去，也没有粒子跑出来，即没有粒子激发也没有粒子电离。

第二阶段（A--B 段）：激发开始，光电流产生，光子打到板极上。

第三阶段：（B--C 段）激发达到饱和，加速电压同时是控制电压，热电子发射达到饱和，此时21G G 间是等势区，热电子在获得了加速能量后，在此区与汞原子碰撞，碰撞的距离长，碰撞机会多，因此，在加速能量没有达到电离能以前，

就会有很多汞原子被激发，因紫外辐射所形成的光电流较大，能被测量到，这就是“矮平台”的来源，但是此时加速能量不足以达到电离能。

第四阶段：（C以后）电离开始，当电子的能量被加速到电离能以上的数值，电

子与原子的碰撞就可能使汞原子电离，而电子在奔向极板p的过程被加速，所获得的能量有可能让别的原子电离，形成“雪崩效应”，极板电流就会迅速增大，这就是曲线上升的原因。

表二

图五

前三个不同的电路图所测数据画在在同一个表上所得到的结果。图中电流为0时电压的值有明显的差别，造成这种情况的原因是：对于图一电路来说，G 2与P之间是反射区，加速电压同时是控制电压。此时G 1与G 2间是等势区，热电子在获得了加速能量后，在此区与汞原子碰撞，碰撞的距离长，碰撞机会多，所以整体比较靠左；对于图二电路来说，加速电压同时也是控制电压，电子一旦进入了G1与P之间的反射区域, 就开始减速，到不足一半的距离就要反射回来。此时，电子与原子非弹性碰撞的机会少，在电子能量达到电离能以前，汞原子被激发的数量少，所以比图一电路所得曲线整体右移；对于图三电路来说，G2与P 之间是反射区，加速电压被阴极到G2的长距离所分散。同时悬空的G1收集部分电子，使该处电位略有降低。

六．参考文献

董键李咏梅崔秀芝弗兰克-赫兹实验中几个问题的研究

高铁军孟祥省王书运近代物理实验