夫兰克-赫兹大物实验.doc

夫兰克-赫兹实验 资源09-2 09011203 陈深高一、实验目的1. 测量氢原子的第一激发电势,证明原子能级的存在,从而加深对量子化概念的认识.2. 加深对热电子的发射的理解,学习将电子与原子碰撞的微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法.3. 了解微电流的测量方法.二、实验原理1. 激发电势根据波尔理论，（1）原子只能较长时间地停留在一些稳定状态（简称为定态）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，其数值是彼此分立的原子的能量不论通过什么方式发生改变，他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另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的若用Em和En表示有关两定态的能量，辐射频率决定于关系式，其中普朗克常数原子稳定态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或发出电磁辐射时，二是通过原子与其他粒子的碰撞交换能量而实现。

本实验中为了使原子从低能级向高能级跃迁，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如以E1代表原子的基态能量、E2代表原子的第一激发态的能量，那么当原子从电子传递来的能量恰好满足时，原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电势差称为原子的第一激发电势（或称原子的中肯电势）夫兰克一赫兹实验的原理图如图1所示，核心部分是一个充氩气的四极管，电子由热阴极K发出第一栅极的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速在阳极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压UG2A 管内空间电势分布如图2所示当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（ ≥eUG2A ），就能冲过反向拒斥电场而到达阳极形成电流，被微电流计检出如果电子在KG2空间与原子碰撞，把自己一部分能量传给原子而使后者激发，电子本身剩余的能量就很小，以致通过第二栅极后已不足以克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计的电流将显著减小实验时，使UG2K电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观察到如图3所示的IA～UG2K 曲线。

图3所示的曲线反映了原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况当KG2空间电压逐渐增加时，电子在KG2空间被加速而获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，即使在运动过程中他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电流IA 将随第二栅极电压UG2K 的增加而增大（如图3的oa段）当KG2间的电压达到原子的第一激发电位U0时，电子在第二栅极附近与原子相碰撞，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）所以阳极电流将显著减小（图3所示ab段）随着第二栅极电压的增加，电子的能量也随之增加，在与原子相碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而到达阳极A ，这时电流又开始上升（bc段）直到 KG2间电压是二倍原子的第一激发电位时，电子在KG2间又会因二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次阳极电流的下降（cd段），同理，凡在的情况下，阳极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的IA～UG2K曲线在UG2K较高的情况下，电子在向栅极飞奔的过程中，将会与原子发生多次碰撞，即出现碰撞—加速—碰撞等重复的过程，而各次阳极电流IA下降时相对应的阴、栅极电势差Un+1-Un即为原子的第一激发电势U0。

IA～UG2K曲线上阳极电流IA并不是突然下降的，而是有一个变化的过程，这是因为阴极发射的电子的初始速度不是完全相同的，服从一定的统计分布规律另外，由于电子与原子的碰撞有一定的几率，在大部分电子与原子碰撞而损失能量的时候，还会有一些电子没有发生碰撞而到达了阳极，所以阳极电流不会降为零 原子处于激发态是不稳定的在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，进行这种反跃迁时，就有eU0电子伏特的能量发射出来反跃迁时，原子是以放出光量子的形式向外辐射能量这种光辐射的波长为，对于氩原子本实验通过实际测量证实原子能级的存在，并测定氩原子的第一激发电势（公认值为V）如果夫兰克－赫兹管中充以其他元素，则可以测量他们的第一激发电势，其他几种元素的第一激发电势见表1表1 几种元素的第一激发电势元素钠（Na）钾（K）锂（Li）镁（Mg）汞（Hg）氦（He）氖（Ne）U0/V2.121.631.843.204.9021.2018.60 三、实验仪器ZKY-FH型智能夫兰克-赫兹实验仪，微机等四、实验内容与要求1.自动测试2.使用计算机测绘IA～UG2K曲线五、注意事项1.连接测试仪与管子间的连线是，注意A,G ,H ,K ,必须一一对应，不可接错。

2.在实验过程中当UG2K较大时，管子有击穿的可能如果管子一旦被击穿，电流会突然增加，此时应迅速把UG2K降低，以防损坏管子六、数据处理：根据 只改变灯丝电压时，峰值谷值数据第一栅压2.0拒斥电压8.0V根据数据可求：1 .当灯丝电压Uf=3.1V时，U谷平与理论值的误差n谷=1.08%，n峰=2.17%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.3V，与理论值误差n=1.7%同理：2. 当灯丝电压Uf=3.3V时，U谷平与理论值的误差n谷=0，n峰=1.08%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.44 V，与理论值误差n=0.5%3. 当灯丝电压Uf=3.5V时，U谷平与理论值的误差n谷=2.18%，n峰=3.26%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.4375V，与理论值误差n=0.54%4. 当灯丝电压Uf=3.7V时，U谷平与理论值的误差n谷=3.9%，n峰=0根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.725 V，与理论值误差n=2.0%由以上数据计算得出：实验所得数据合理，求得的氢原子第一激发电势在误差允许范围内。

根据 只改变拒斥电压时，峰值谷值数据灯丝电压3.5v，第一栅压2.0v.根据数据可求：1. 当拒斥电压Ug1k=6.0V时，U谷平与理论值的误差n谷=0，n峰=3.26%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.3125 V，与理论值误差n=1.6%2. 当拒斥电压Ug1k=7.0V时，U谷平与理论值的误差n谷=0，n峰=2.17%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.375 V，与理论值误差n=1.08%3. 当拒斥电压Ug1k=8.0V时，U谷平与理论值的误差n谷=2.17%,n峰=3.26%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.4375 V，与理论值误差n=0.54%4. 当拒斥电压Ug1k=9.0V时，U谷平与理论值的误差n谷=1.08%，n峰=2.17%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.3 V，与理论值误差n=1.7%由以上数据计算得出：实验所得数据合理，求得的氢原子第一激发电势在误差允许范围内。

根据 只改变第一栅压时，峰值谷值数据灯丝电压3.5v,拒斥电压8.0v 根据数据可求：1. 当第一栅压UG2A=1.8v时，U谷平与理论值的误差n谷=1.08%，n峰=1.06%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.5 V，与理论值误差n=02. 当第一栅压UG2A=2.0v时，U谷平与理论值的误差n谷=0，n峰=3.26%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.4375 V，与理论值误差n=0.54%3. 当第一栅压UG2A=2.2v时，U谷平与理论值的误差n谷=1.08%，n峰=1.06%根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势U0=（U谷平+ U峰平）/ 2=11.5 V，与理论值误差n=0由以上数据计算得出：实验所得数据合理，求得的氢原子第一激发电势在误差允许范围内1.改变灯丝电压，研究其对实验的影响：通过比较有：（1）灯丝电压的变化对极板电流的影响非常剧烈；（2）在其他条件相同的情况下，灯丝电压越高，极板电流越大3）不同曲线峰值谷值在出现在相同电压时出现分析:灯丝电压变大导致灯丝实际功率变大，灯丝的温度升高，从而在其他参数不变得情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。

灯丝电压不能过高或过低因为灯丝电压的高低，确定了阴极的工作温度，按照热电子发射的规律，影响阴极热电子的发射能力灯丝电位低，阴极的发射电子的能力减小，使得在碰撞区与汞原子相碰撞的电子减少，从而使板极A所检测到的电流减小，给检测带来困难，从而致使曲线的分辨率下降；灯丝电压高，按照上面的分析，灯丝电压的提高能提高电流的分辨率但灯丝电压高, 致使阴极的热电子发射能力增加，同时电子的初速增大，引起逃逸电子增多，相邻峰、谷值的差值却减小了2.改变拒斥电压，研究其对实验的影响曲线分析： 随着拒斥电压增大，曲线下移，峰值谷值都相应降低灯丝电压不变，拒斥电压变大，被拒斥极阻挡的电子变多，到达阳极的电子减少，阳极电流变小这时需要更大的阳极电压才能达到同样的电流，所以实验曲线向下移动3.只改变第一栅压，研究其对实验的影响曲线分析：当第一栅压增大或者减小时曲线都会相应下移，并且随增大多少下移幅度接近七、思考与讨论（1）灯丝电压对F－H实验的IA～UG2K曲线形状有何影响？对第一激发电势的测量有何影响？答：灯丝电压的变化对极板电流的影响非常剧烈，使曲线变得细高，但对第一激发电势基本无影响2）从IA～UG2K曲线上可以看到阳极电流并不是突然下降，而是有一个变化的过程，这是为什么？答：因为阳极发射的电子的初始速度各异，服从一定统计规律，故阳极电流并非突然下降，而有一定的变化过程。

3）从IA～UG2K曲线可看出，IA值在出现峰值后并不是降为零，为什么？答：并不是每一个电子都可能会与氢原子相碰，没有发生碰撞的电子到达阳极，从而使电流不会降为零八、实验总结通过本实验我学会了夫兰克-赫兹实验仪的使用，了解了实验原理，对波尔理论有了更深一步的认识，同时学会了将微观过程与宏观过程物理量相结合的实验法首先在实验操作的时候，由于实验比较繁杂，而且需要的时间较久，所以做实验时需要足够的耐心，还有细心否则一旦出现错误又要重新开始繁琐的细节，这样反而更影响试实验的心情，加剧烦躁的心情所以一开始的耐心和细心很重要这也是实验的基本常识通过这次实验，。