实验二--弗兰克-赫兹实验

实验二--弗兰克-赫兹实验

云南大学物理实验教学中心

实验报告

课程名称：普通物理实验

实验项目：实验二弗兰克-赫兹实验

学生姓名：马晓娇学号：20131050137 物理科学技术学院物理系 2013 级天文菁英班专业

指导老师：张远宪

试验时间：2015 年11月 20 日 13 时 00 分至 15 时 00 分

实验地点：物理科学技术学院

实验类型：教学 (演示□验证□综合□设计□) 学生科研□课外开放□测试□其它□

一、实验目的

1. 了解弗兰克—赫兹实验的原理和方法，测定汞的第一激发电位，验证原子能

级的存在；

2. 练习使用微机控制的实验数据采集处理系统；

二、实验原理

玻尔的原子模型指出：原子是由原子核和核外电子组成的。原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。对于不同的原子，在轨道上运动的电子分布各不相同。

在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量。当一个原子内的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，该原子就处于一种受激状态。如图l所示，若轨道上为正常状态，则电子从轨道Ⅰ跃迁到轨道Ⅱ时，该原子处于第一激发态；电子跃迁到轨道Ⅲ，原子处于第二激发态。图中，E1、E2、E3分别是与轨道l、Ⅱ、Ⅲ相对应的能量。

当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级En态跃迁到高能级Em态，则原子需吸收一定的能量△E：

V(1)

E Em En

=-

原子状态的改变通常有两种方法：一是原子吸收或放出电磁辐射；二是原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。本实验利用慢电子与氩原子相碰撞，使氩原子从正常状态跃迁到第一激发态，从而证实原子能级的存在。

由玻尔理论可知，处于正常状态的原子发生状态改变时，所需能量不能小于该原子从正常状态跃迁到第一激发态所需的能量，这个能量称临界能量。当电子与原子相碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则电子与原子之间发生弹性碰撞，电子的能量几乎不损失。如果电子的能量大于临界能量，则电子与原子发生非弹性碰撞，电子把能量传递给原子，所传递的能量值恰好等于原子两个状态间的能量差，而其余的能量仍由电子保留。

电子获得能量的方法是将电子置于加速电场中加速。设加速电压为U，则经过加速后的电子具有能量eU，e是电子电量。当电压等于Ug时，电子具有的能量恰好能使原子从正常状态跃迁到第一激发态．因此称Ug为第一激发电势。

弗兰克一赫兹实验的实验原理图如图1所示。电子与原子的碰撞是在充满氩气的F—H管(弗兰克一赫兹管)内进行的。F-H管包括灯丝附近的阴极K，两个栅极G1、G2．板极A。第一栅极G1靠近阴极K，目的在于控制管内电子流的大小，以抵消阴极附近电子云形成的负电势的影响。当F—H管中的灯丝通电时，加热阴极K，由阴极K发射初速度很小的电子。在阴极K与栅极G2之问加上一个可调的加速电势差VG2，它能使从阴极K发射出的电子朝栅极G2加速。由于阴极K到栅极G2之间的距离比较大，在适当的气压下，这些电子有足够的空间与氩原子发生碰撞。在栅极G与板极A之问加一个拒斥电压VG2，当电子从栅极

G2进入栅极G2与板极A 之问的空间时，电子受到拒斥电压VG2产生的电场的作用而减速，能量小于e VG2的电子将不能到达板极A 。

图1

当加速电势差VG2由零逐渐增大时，板极电流IP 也逐渐增大，此时．电子与氩原子的碰撞为弹性碰撞。当VG2增加到等于或稍大于氩原子的第一激发电势Ug 时，在栅极G2附近．电子的能量可以达到临界能量，因此，电子在这个区域与原子发生非弹性碰撞，电子几乎把能量全部传递给氩原子，使氩原子激发。这些损失了能量的电子就不能克服拒斥电场的作用而到达板极A ，因此板极电流IP 将下降。如果继续增大加速电压VG2，则在栅极前较远处，电子就已经与氩原子发生了非弹性碰撞，几乎损失了全部能量。但是，此时电子仍受到加速电场的作用，因此，通过栅极后，电子仍具有足够的能量克服拒斥电场的作用而到达板极A ，所以。板极电流IP 又开始增大。当加速电压VG2增加到氩原子的第一激发电位Ug 的2倍时，电子和氩原子在阴极K 和栅极G2之问的一半处发生第一次弹性碰撞，在剩下的一半路程中，电子重新获得激发氩原子所需的能量，并且在栅极G 。附近发生第二次非弹性碰撞，电子再次几乎损失全部能量，因此，电子不能克服拒斥电场的作用而到达板极A ．板极电流IP 又一次下降。由以上分析可知，当加速电压VG2满足式(2) ：

2

VG nUg (2)

时，板极电流IP 就会下降。板极电流IP 随加速电压VG2的变化关系如图2所示。 从图中可知，两个相邻的板极电流IP 的峰值所对应的加速电压的差值是11.5V 。这个电压等于氩原子的第一激发电势。

图2 IP-VG2曲线图

三、实验仪器

F H H -- 弗兰克-赫兹实验仪、计算机

四、实验内容及步骤

在进行测量之前，需要对冲汞的弗兰克-赫兹管加热，温度可调节。当弗兰克-赫兹管面板上的温度指示灯变红色时即可调节灯丝电压 1.6F V V = 、控制栅电压

1 2.6G K V V =和减速栅

2 1.0G K V V =。

1、 联机测量

（1） 进入实验：按照弗兰克-赫兹实验仪面板上的电路图进行电路连接，打开电源

（2） 开始实验 A 、输入实验参数 B 、采集数据 2、 手动测量

将“扫描选择”调到“手动”档进入手动测量模式。观测数字电压显示窗口，不断调节扫描电压，从电流表中读取相应的电流，记录数据，绘制曲线。 3、 用步骤1的方法分别测量为140°C 、160°C 、190°C 时的P a I U - 曲线，研究其差异，并在实验报告中说明造成其差异的原因

五、实验数据