弗兰克-赫兹实验实验报告

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 1 nm EEhv 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 E2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 2 120 EEeU 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 UGK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 GA 空间时 如果有较大的能量 eUAG 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 UGK V IA nA 图 3 夫兰克 赫兹管第一激发电势的 IA UGK曲 线 后者激发的话 电子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 IA UGK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 KG 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 KG 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 n 1 2 3 3 0 nUUGK 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 IA UGK 曲线 而各次板极电 流下降相对应的阴 栅极电压差应该是汞原子的第一激发电势 mm UU 1 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 A 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 IA 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 V11 612 115 116 919 621 524 226 2 IA A 10 5 13 65 939 07 959 012 1121 024 0 2 数据处理 1 根据实验原理可以得到第一激发电势为 H 或 得 nn UUUnU 峰峰 10nn UUUnU 谷谷 10 5 4 6 11 1 15 1 U5 4 1 15 6 19 2 U 6 4 6 19 2 24 3 U7 4 1 12 9 16 4 U 6 4 9 16 5 21 5 U7 4 5 21 2 26 6 U 故 VUU i i 6 4 6 7 46 47 46 45 45 4 6 1 6 1 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 222222 6 1 2 0 nn UU S n n B 类不确定度分量 29 0 32 11 3 2 1 仪 u 合成不确定度 3 029 0 87 0 0013 0 2222 us 3 第一激发电势为 VUU 3 06 4 0 5 6 100 U B 六 实验结果及讨论 1 由实验图象可以验证了汞原子的能级存在 并根据实验数据计算得到汞原子的第一激 发电势为 与公认的理论值符合的较好 VUU 3 06 4 0 VU9 4 0 2 误差可能出现的原因 1 温度的微小变化引起的误差 2 读数时的视觉误差 3 仪器自身的误差 开始阶段电流变化不明显 误差可能较大 七 注意事项 1 连线时注意 A K G H