弗兰克-赫兹报告

清华大学精密仪器与机械学系物理实验报告 杨霖 2008-5-25实验5.15 弗兰克-赫兹实验班级：精61学号：姓名：杨霖2008年5月25日五、数据处理1. 汞原子第一激发电位Ug的测量(1) 实验数据记录a. 实验条件 灯丝电压Uf = 2.1 V，拒斥场电压UR = 10 V，控制栅电压UG = 2.4 V。b. 实验数据峰序号i123456峰值电压Ui/V17.8128.9841.1352.9565.8278.20(2) 逐差法处理数据数据序号i123(Ui+3-Ui)/V35.1436.8437.07求平均值：3Ug=13i=13(Ui+3-Ui)=36.35 V Ug=12.12 V求不确定度：S3Ug=13-1i=13Ui+3-Ui-3Ug2=1.0542 Vn=3 A=tp(n-1)nS3Ug=2.481.0542 V=2.6144 V仪=0.1%U+0.1 V=0.1%78.20+0.1 V=0.1782 VB=2仪=0.2520 V 3Ug=A2+B2=2.6 V Ug=0.9 V3Ug 3Ug=36.42.6V UgUg=12.10.9V(3) 线性拟合处理数据用origin对6个峰点进行线性拟合，得到结果如下图：拟合公式为 U=5.05267+12.12257ib=A=5.05267，Ug=B=12.12257 V，r=0.99978Sbb=1r2-1n-2=0.01049， Sb=bSbb=5.052670.01049=0.05300 VUg=Sb2+仪2=0.19 V， UgUg=12.120.19V2. 汞原子受激后回到基态辐射出的光波波长的计算 由1中计算可知，汞原子第一激发态电位Ug = 12.12 V（线性拟合结果），代入式h = eUg及c = 得：=hceUg=6.6310-343.01081.6010-1912.12=1.02610-7m=102.6 nm该原子此次发出的光为紫外光，无法用肉眼观察。3. 通过手动定量测量分析Uf、UG、UR对板极电流Ip的影响 实验中记录的数据如下表所示：组号Uf/VUG/VUR/V峰点2峰点3峰点4Ua/VIpUa/VIpUa/VIp11.92.410.030.18.041.710.053.411.622.12.410.029.825.140.938.053.046.532.12.510.029.727.041.639.553.547.042.12.710.030.121.041.229.553.935.052.12.411.030.516.042.225.854.134.0 利用控制变量法分析上表中的数据：(1) Uf 对板极电流Ip的影响比较1、2两组数据可知，灯丝电压Uf增大，板极电流Ip也增大。分析：增大灯丝电压Uf，则灯丝温度升高，单位时间内产生的电子数增多，从而经过与汞原子碰撞等一系列相互的作用后，到达板极P的电子数增多，产生的板极电流Ip增大。(2) UG 对板极电流Ip的影响比较2、3、4三组数据可知，随着控制栅电压UG的增大，板极电流Ip先增大后减小。分析：a. 控制栅电压UG的主要作用是消除电子在阴极附近的堆积效应，控制阴极发射的电子流的大小，避免阴极产生的电子发生散射，无法到达板极P。b. 增大控制栅电压UG，能有效减小电子在阴极附近的堆积，增大到达板极P的电子数目，从而导致板极电流Ip增大。c. 当控制栅电压UG过大时，将会使进入碰撞空间的电子流变小，到达板极P的电子数减少，板极电流Ip减小。d. 比较2、3组数据可知，板极电流Ip的增加值并不大，可能是因为此时的加速电压Ua已经接近使Ip达到最大值的电压值了。(3) UR 对板极电流Ip的影响比较2、5两组数据可知，增大拒斥场电压UR的值，将减小板极电流Ip的值。分析：增大拒斥场电压UR的值，将会使得电子穿越G2P需要更大的能量，因此对到达第二栅极G2的电子的能量要求的更高了，所以，在其他条件相同的情况下，满足这一要求的电子数目将会减少，从而到达板极P的电子数目减少，板极电流Ip减小。六、思考题1. 第一峰位为什么不等于Ug？答：对于实际的FH管，其阴极与栅极采用不同的金属材料制成，它们的逸出功不同，因此会产生接触电位差。接触电位差的存在，使真正加在电子上的加速电压不等于Ua，而是Ua与接触电位差的代数和，所以接触电位的存在将会使得整个Ip-Ua曲线左右平移，因此，第一个峰位对应的电压值并等于Ug。2. 理解Uf、UG、UR对Ip影响的原因。答：具体见五. 3中的分析。3. 炉温的大小直接影响管内的什么参量？答：本次实验中并不需要调节炉温，但根据所学知识进行分析可知，降低炉温会增加电子的平均自由程（可能是因为管内的汞蒸气部分液化），使得电子在相邻两次碰撞之间获得的能量增加，因此，板极电流Ip也将随之增加。4. 随着加速电压Ua的增加，为什么峰间距也会增加？答：加速电压Ua的增加，将会影响汞原子的能级状态，使之重新分布。（Ua过大时甚至可能导致汞原子直接电离）增大Ua，将使汞原子中处于较高能量状态的原子数增多，从而电子与之碰撞，使其激发，需要更高的能量，所需的加速电压Ua也更大，所以相邻两峰之间的距离要增大。七、总结这次实验是一个很经典的实验，其在物理学史的作用就不说了。就其本身来说，原理虽然有些复杂难懂，但是操作还是很简单的。但是对我来说，这次实验确实遇到了很大的困难。俗话说，“工欲善其事，必先利其器。”做实验仪器的可靠是首要的。我的仪器则不那么可靠。从计算机扫描得到的图像可知，我的仪器并不是那么理想，主要体现在Ua等于零时的初始值过大（超过0.3），我进行了各种各样的尝试，得到的曲线的初始值都无法小于0.3，后来找来老师帮忙，经过一番研究，得出结论为仪器本身