弗兰克赫兹实验实验报告

弗兰克－赫兹实验实验报告

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弗兰克－赫兹实验

一 实验目的

通过测定汞原子的第一激发电位,证明原子能级存在。 二 实验原理 1 激发电势 玻尔的原子能级理论

(1)原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态)。原子在这些状态时,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。

(２） 原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的,满足

n m E E hv -= (1）

原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。 设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为ｅＵ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以Ｅ1带表汞原子的基态能量,E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为

120E E eU -= （2)

时,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(中肯电势)。 夫兰克-核子实验原理如图1示。

在充汞的夫兰克赫兹管中,电子有阴极发出，阴极K 和栅极G 之间的加速电压U GK 供电子加速。在板极A 和栅极G 之间加有拒斥电压ＵＡG 。管子空间电位分布如图2示。当电子通过KG 空间进入G Ａ空间时,如果有较大的能量（≥eU AG ),就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流,为微电流计PA 检测出。如果电子在KG 空间与汞原子碰撞,把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话,电子

U GK /

I A /

图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的I A -U GK 曲线

本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显著的减小。

实验时，观察电流计的电流随ＵGK 逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话,而且基态与第一激发态有确定的能量差,就能观察到如图3示的I Ａ-U ＧK 曲线。曲线反映了汞原子在ＫG 空间与电子进行能量交换的情况。当KG 空间电压逐渐增加时，电子在K Ｇ空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，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碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞)。穿过栅极的电子形成的板流IA 将随栅极电压的增加而增大(图中OA 段）。当KG 间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时,电子在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都交给后者,并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子,即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA 将显著减小（图ＡB 段)。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子碰撞后还留下足够的能量,可以克服反向拒斥电场而达到板极A,这时电流有开始上升(BC 段)。直到KG 间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时,电子在K Ｇ空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降(CD 段）,同理

0nU U GK =(n=1,2,3,……) (3)

凡符合(3)式的地方板极电流都会下跌,形成规则起伏变化的I Ａ-UGK 曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差m m U U -+1应该是汞原子的第一激发电势。

三 实验仪器

FH-１A 夫兰克-赫兹实验仪(加热炉、微电流测量放大器)、温度计。 四 实验内容及步骤

1、 正确连接线路,A 、G 、Ｈ、K 连线一一对应,不可混接或短路。

2、 将微电流放大器,工作选择置于DC,工作状态置于R ，栅极电压调到最小,预热5分钟。

3、 接通加热炉电源,温度升至18０℃时调零（１0

－5

档位）和满度（FULL ）。

4、 缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次ＩA 的起伏变化，当μＡ表满度时相应的改变倍率。

5、 从0V 起仔细调节栅极电压，细心观察I Ａ的变化,同时记录数据。读出IA 的峰谷值的电流

和对应的电压,至少记录4组峰谷值。为了准确反映实验规律,在峰谷值的两侧分别记两组数据。

6、 实验完毕，微电流放大器工作选择,工作状态置于O,栅极电压调到最小,只关闭加热炉点验,

不要关闭微电流放大器。

五、 数据记录及处理 1实验数据记录

峰１ 谷1 峰２ 谷２ 峰3 谷3 峰4 谷４ ＵＧK /Ｖ

１1．６

12．1

１5.１

16.9

1９.6

21.5

２4.2

2６.2

I A /μＡ(10－

5) 1３.6 ５．９ 39.０ ７.9 ５9.0 12.1 12１.0 ２4.０

2 数据处理

(１）根据实验原理可以得到第一激发电势为

n n U U Un U 峰峰-=∆=+10Ｈ或n n U U Un U 谷谷-=∆=+10,得

5.4

6.111.151=-=∆U 5.41.156.192=-=∆U 6.46.192.243=-=∆U

7.41.129.164=-=∆U 6.49.165.215=-=∆U 7.45.212.266=-=∆U

故

V U U i i 6.46

7.46.47.46.45.45.46161=+++++=∆=∆∑=

(2）不确定度计算 A 类分量

0133

.0)

16(6)6.47.4()6.46.4()6.47.4()6.46.4()6.45.4()6.45.4()

1()(2

222226

1

2

0=-⨯-+-+-+-+-+-=

--∆=∑=n n U U

S n n

B 类不确定度分量

29.03

21

1321=⨯=∆=仪

u