夫兰克赫兹实验教案.ppt

夫兰克赫兹实验 实验目的 1、了解夫兰克赫兹实验的原理和方法； 2、验证原子能级的存在，并测定氩原子的 第一激发电位U0； 3、了解计算机数据采集、数据处理的方法 。 简介 在原子物理学的发展中，丹麦物理学家玻尔（ N.Bohr）因为在1913年发表了原子模型而获得 了1922年度诺贝尔物理学奖。1914年，德国科 学家夫兰克（J.Franck）和赫兹（G.Hertz）用 慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从 低能级激发到高能级。他们对电子与原子碰撞 时能量交换的研究所发现的规律性，直接证明 了原子能级的存在，即原子能量的量子化现象 。夫兰克和赫兹的实验证明了玻尔原子理论的 正确性，因而，他们获得了1925年度诺贝尔物 理学奖。这就是原子物理学上著名的“夫兰克 赫兹”实验。 玻尔的原子模型 原子只能存在于某些特定能级En 能量变化只能是某些定值Em-En 例：氩原子Ar 只考虑基态能量E1 第一激发态E2 eU0 = E2-E1 （e为电子电量） U0被称为氩原子的 第一激发电位 电子与原子碰撞 电子能量 E eVG2A的电子到达板极A形成电流IA E eVG2A的电子则被VG2A弹回， IA =0 IA E 电子损失能量 定值 E=eVG2K 实验方法 给定灯丝电压、VG1K、VG2A；缓慢增加VG2K ，测出相应的板极电流IA。理论上，IA与VG2K 的对应关系应如图所示。 0ab 电子能量小于eU0，弹性碰撞 b点 电子能量E=eVG2K= eU0，非弹性碰撞 电子损失能量eU0，剩余能量为E=0。 EeVG2A，电子不能到达板极，电流降为0。 bcd 电子碰一次后，EeU0，重复0ab。 d点 电子先后碰两次，E=e2U0- 2eU0 =0， 同b点一样，电流降为0。 每次VG2K=nU0时，电流都会降到0。 理论上，IAVG2K曲线呈锯齿 状，测出这样 的 曲线即可证明每次电子-原子碰撞时，电子损 失能量都是定值eU0，从而可以证实 能级的存 在。 同时，测出每次电流降为0时对应 的加速电压 U0、2U0， 即可计算出氩原子的第一激发电 位U0。 实际电流图 1、曲线平滑过渡。 电子初始能量并不完全相同，有的快些，有的 慢些。碰撞有先后。 2、IA一般不会降到零。 碰撞有一定的几率，一些电子没有碰撞形成残 余电流IA。 实验步骤 一、 1、关闭电源，连线并检查，务必详细检查无 误后方可开机。 2、预热 选手动方式，将电流量程，灯丝电压，VG1K 电压，VG2A电压调至仪器箱上盖标牌上规定 的标准参数，将VG2K设置为30v，保持手动 方式，（不要按“启动”，不要按“自动”） 35分钟后预热即完成。 二、测量U0 测量过程用联机测试 方式完成。 全部在电脑 上操作，由电脑 控制仪器 ，仪器上不需再手动设 置。 1、第一次测量：用标准参数测绘IAUGK曲线 。 a. 实验仪器置自动测试状态；计算机进入 实验系统，“用户”、“密码”均为“sa”。 b. 点击“数据通讯开始实验”；“工作方式” 采用“联机测试”；“仪器号”采用“1/A设备” ；进入“下一步”。学号、姓名之类可写可不 写。 c记录仪器箱上盖标牌所规定的标准参数 ，并输入程序中，标牌上有的都要输入， 特别是电流量程应选择1uA，另外Vstop=85v 。（原为80.0v） 标牌没有的参数保持原样。 单击“下一步”，电脑自动测绘IAVG2K曲线。 d读数： 读出各峰值、谷值的电压、电流数据（注意电 流单位）共约12个点，每点两数据。 慢慢滚动鼠标滚轮，可使曲线上下平移。 1、移动十字准线，左下角窗口可直接读数。 2、如需精确读数，可点击窗口右下的“”按 钮，调出曲线测量数据查找准确读数。 2、第二次测量：改变灯丝电压 关闭并重新打开程序，设置参数时改变灯 丝电压，在标准参数上加或减0.1V，重复进 行实验，测绘曲线。分析F-H实验曲线的变 化并讨论其原因。（提示：灯丝电压影响 阴极发射的电子数目） 加或减只需变化一次。 3、第三次测量：改变拒斥电压VG2A 回到标准参数，改变拒斥电压VG2A，在标准 参数上加或减2V，重复进行实验，测绘曲 线。分析F-H实验曲线的变化并讨论其原因 。 其它实验方式 本实验也可采用手动或自动模式。 电流图可以输出至示波器显示。 以上内容了解即可，本次实验不做。 数据记录及处理 自行设计表格记录数据。 1由各波谷的电位求出第一激发电位U0。 （波峰误差较大，不用） (1)前后波谷电压相减取平均。（必须做） (2)如有6组U谷，可用逐差法计算。（附加 ） 2将实验测得的U0与公认值11.55V比较, 求 出百分差 3. 画图：用毫米方格纸画出IAVG2K曲线。 测量三组数据，每组都要完成13的要求。 思考题 1本实验装置能否测氩原子第二激发电位 ？为什么？ 2依据实验数据，从以下几方面分析灯丝 电压、拒斥电压对F-H试验曲线的影响：电 流大小如何变化？曲线是否有左右平移