弗兰克-赫兹试验试验报告

1、弗兰克赫兹实一实验目的 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hv Em En （1）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

2、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eU0 E2 E1 （2）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。IA/nAUGK/V图 3 夫兰克 -赫兹管第一激发电势的 IA-UGK 曲线 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空间电位分布如图 2 示。供电子加速。在板极 A 和栅极 G 之间加有拒斥电压 UAG当电子通过 KG 空间进入 GA 空

3、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着 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

4、。 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 将显着减小（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

5、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 UGK nU0 （n=1，2，3，）（3）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 Um 1 U m应该是汞原子的第一激发电势。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

6、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

7、谷2峰3谷3峰4谷4UGK/V11.612.115.116.919.621.524.226.2IA/A（10-5）13.65.939.07.959.012.1121.024.02 数据处理（1）根据实验原理可以得到第一激发电势为U0 Un U峰n 1 U峰nH 或U0 Un U谷n 1 U谷n，得故（2）不确定度计算A 类分量B 类不确定度分量合成不确定度（3）第一激发电势为 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 U0 U （4.6 0.3）V ，与公认的理论值 U0 4.9V 符 合的较好。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 间的一一对应，避免混接或