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 成绩 云南大学物理实验教学中心 实验报告 1 一 实验目的一 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 跃迁到轨道 时 该原子处于第一激发 态 电子跃迁到轨道 原子处于第二激发态 图中 E1 E2 E3 分别是与轨 道 l 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 1 EEmEn A 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 云南大学物理实验教学中心 实验报告 2 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 2 VGnUg 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 云南大学物理实验教学中心 实验报告 3 三 实验仪器三 实验仪器 弗兰克 赫兹实验仪 计算机FHH 四 实验内容及步骤四 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 控制栅电1 6 F VV 压和减速栅 1 2 6 G K VV 2 1 0 G K VV 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 曲线 Pa IU 研究其差异 并在实验报告中说明造成其差异的原因 五 实验数据五 实验数据 电压 V 电流 nA 电压 V 电流 nA 电压 V 电流 nA 电压 V 电流 nA 电压 V 电流 nA 0 71 320 711 140 730 660 732 380 744 7 1 21 321 210 641 230 661 235 881 241 7 1 71 321 71041 730 261 738 281 739 8 2 21 322 29 442 22962 240 882 238 4 2 71 322 78 742 727 762 74382 738 4 3 21 323 28 143 225 163 244 783 239 3 3 71 323 77 643 722 563 745 983 740 8 4 21 324 28 144 218 964 246 884 243 4 71 324 79 544 715 764 747 484 745 2 5 21 325 211 445 213 265 247 485 247 7 5 71 325 713 345 711 165 746 885 750 2 云南大学物理实验教学中心 实验报告 4 6 21 326 214 946 211 866 245 686 252 7 6 71 426 717 146 71466 743 586 755 4 7 21 527 218 247 218 367 241 287 257 7 7 71 627 719 347 721 967 737 887 760 1 8 21 728 220 248 224 568 23488 262 8 71 828 72148 727 268 73088 763 8 9 2229 221 349 230 169 226 989 265 3 9 72 229 721 549 732 769 725 189 766 3 10 22 430 221 450 234 270 225 190 266 6 10 72 830 720 750 736 170 726 990 766 9 11 23 731 219 851 237 671 229 391 266 7 11 74 831 718 551 738 671 732 691 765 5 12 25 632 216 752 239 172 235 192 264 1 12 76 832 712 652 739 372 737 792 762 1 13 27 433 210 853 239 173 241 293 259 8 13 78 133 710 253 736 573 744 293 758 2 14 2934 29 254 234 674 24694 256 3 14 79 634 79 254 734 774 748 994 755 1 15 29 635 210 555 231 875 250 595 254 7 15 710 335 713 255 728 275 752 595 754 9 16 210 936 215 856 224 276 254 196 255 6 16 711 136 718 656 720 776 755 4 17 211 537 220 857 217 477 256 1 17 711 837 722 657 716 177 756 2 18 211 938 224 758 217 478 255 7 18 711 738 726 758 719 678 754 8 19 211 739 228 159 222 779 253 1 19 711 639 729 159 726 179 750 9 20 211 440 230 160 229 980 248 7 实验指导老师签名学生签名 实验指导老师填写1 实验记录是否完整准确 2 有无涂改抄袭现象 云南大学物理实验教学中心 实验报告 5 六 数据处理六 数据处理 Franck Hertz 图 各峰值之间的差为 1 2 3 4 5 6 30 217 912 3 41 230 911 52 741 211 5 65 252 712 5 77 765 212 5 90 777 713 Uvvv Uvvv Uvvv Uvvv Uvvv Uvvv 故 Ar 的第一激发电位为 123456 6 12 31111 512 512 513 12 1 6 UUUUUU U vvvvvV Uv 云南大学物理实验教学中心 实验报告 6 七 习题七 习题 1 为什么 为什么呈周期性变化 呈周期性变化 Pa IU 当间电压 逐渐增加时 电子在空间被加速而取得越来越多的 2 KG 2G K U 2 KG 能量 当电子取得的能量较低时 与氩原子碰撞不足以影响氩原子的内部能量 板极电流 将随的增加而增加 当间加速电压达到氩原子的第一激 A I 2G K U 2 KG 发电位时 电子在栅极附近 与原子碰撞 将自己的能量传递给原子 使原 2 G 子从基态被激发到第一激发态 而电子失去几乎全部动能 这些电子将不能克 服拒斥电场而到达板极 板极电流开始下降 继续升高加速电压 UG2K A A I 电子获得的动能亦有所增加 这时电子即使在空间与氩原子相碰撞损失大 2 KG 部分能量 仍留有足够能量可以克服拒斥电场而达到板极 因而板极电流 A 又开始回升 因此 凡在 的地方板极电流都会相应下降 A I 2G Kg UnU 2 灯丝电压 控制栅电压 拒斥电压的改变对实验结果有何影响 如何解释 灯丝电压 控制栅电压 拒斥电压的改变对实验结果有何影响 如何解释 1 灯丝电压对实验曲线的影响 灯丝电压越高 曲线位置越高 这是因为升 高灯丝电压 灯丝温度将升高 电子更容易受激发逸出 因此相比低灯丝电压 时 参与碰撞的电子密度高 这样检流计检测到的电流就要大一些 从而出现 曲线位置随灯丝电压增大而升高的情况 2 控制栅电压对实验曲线的影响 发逸出 参与碰撞的电子密度高 这样 检流计检测到的电流就要大一些 会出现曲线位置随灯丝电压增大而升高的情 况 第一栅极电压的影响 为 附近一个小的正向电压 用于驱散附在热 1 G K UK 阴极上电子云的作用 增大此电压 将有利于电子逸出进入 空间 使曲线 2 KG 位置上移 3 拒斥电压对实验曲线的影响 阴极拒斥电压用于加热灯丝 升高灯丝电压 灯丝温度将升高 电子更容易受激发逸出 参与碰撞的电子密度高 这样检流 计检测到的电流就要大一些 会出现曲线位置随灯丝电压增大而升高的情况 八 误差