弗兰克赫兹试验书

1、夫兰克赫兹实验1913 年，玻尔（ N.Bohr ）将量子理论应用到原子上，提出了他的原子理论 . 玻尔的 原子理论除了由光谱研究得到证实外， 1914 年，夫兰克（ J.Frank ）和赫兹（ G.Herz ）利 用低能电子与稀薄气体原子碰撞的方法，直接测得了原子的激发电势和电离电势，证实 了原子中分立能级的存在 . 夫兰克和赫兹为此获得了 1925 年诺贝尔物理学奖 . 【实验目的】1通过对相应电压和微电流的测量， 得出氩原子的第一激发电势， 验证原子能级的 存在。2学习原子激发的基本过程，理解微观原理。3用计算机观测 I AUG2K曲线。【实验仪器】F-H 6 智能夫兰克赫兹实验仪 微机

2、【实验原理】夫兰克赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原 子从基态到高能态的跃迁。夫兰克赫兹实验原理如图 1 所示，在充氩气的夫兰克赫兹管中，自由电子从被灯丝加热的阴极 K 表面逸出，在阴极 和控制栅极 G1之间的加速电压（第一栅压） UG1K 的作用下，电子将离开阴极并被加速后 通过控制栅极 （控制栅极 G1 是为了消除电子在阴极附近的堆积效应，起到控制电子电流 大小的作用 ）。栅极 G2和阴极 K之间也存在对电子的加速电压（第二栅压）UG2K ，电子在 G1 G2 空间内一方面被加速， 另一方面可能与氩原子相碰撞。 在板极和栅极 G2 之间存 在使电子减速的拒斥电

3、压 UG2A 。当电子通过栅极 G2进入 G2A空间时，只有那些动能够大， 能克服 U G2A的电子才能通过栅极 G2到达板极形成板极电流 IA。实验时使 UG2K 从零逐渐增加，观察板极电流 I A的变化，将得到如图 2所示的 IAUG2K 曲线。从图中可以发现， IA 并不总是随 UG2K 的增大而增大。根据玻尔的原子理论，氩原子在基态的能量为E0, 第一激发态的能量为 E1 ，在起始阶段，电子的动能 EKE1 E0 ，电子与氩原子碰撞时，电子的动能几乎没有损失，电子 与氩原子弹性碰撞后仍按原来的速率运动。当UG2A与UG1K 不变时，随着 UG2K 的增加，会有越来越多的电子离开阴极并克

4、服U G2 A到达板极 ,使IA随UG2K 的增大而增大 （见图 2中 oa 段）。但当 UG2K增大到 U0时，运动到栅极附近的电子所具有的动能KK =eU0正好等于 E1 E0 ，电子与氩原子发生非弹性碰撞，氩原子从电子那里吸收能量而跃迁到第一激 发态 , 因此称 U0 为第一激发电势。电子失去 E1 E0 的能量后动能急剧减小，以致不能克 服拒斥电压 UG2A达到板极，使板极电流 I A急剧降低 （见图 2中 ab段） 。继续增加 UG2K， 当电子与氩原子碰撞后仍留下足够的能量，可以克服G2A空间的拒斥电压 UG2A 而达到板极 A时，板极电流 IA又随 U G2K的增大而增大 （见图

5、 2 中 bc 段）。直到 UG2K =2U0时，电 子的能量等于 2（ E1 E0 ），电子在 G1 G2 空间会因第二次非弹性碰撞而失去能量，从而形 成板极电流 IA 第二次下降 （见图 2中cd 段）。在加速电压 UG2K 较高的情况下， 电子在运动过程中， 将与氩原子发生多次非弹性碰 撞，在 IA UG2K 关系曲线上就表现为随着 UG2K 的增加，交替出现 IA 的一系列极大值和 极小值 . 由于从阴极发出的热电子有一定的初速度、 阴极和板极金属材料不同而使电子的 逸出功也不同等原因，整个 IAUG2K 曲线将发生沿横坐标的平移 ,但曲线上任意两个相 邻的极大值之间所对应的 UG2K

6、 的差值是不变的，就等于氩原子的第一激发电势U 0 U n 1 U(1)式中 n=1,2,3 , ，仪器简介】 仪器结构G1灯丝电流15AUG2AG2100 UG2KUG1K34电流显示电压显示选择10-10 10-9 10-810-7(A)电流输入I 电流显示选择 调零 扫描幅度调节4100V15V 5V100V调节 15V调节5V调节自动 微机 电 源开 灯丝电流调节 X 示波器 Y 微机接口 手动 示波器 关F-H6 智 能 夫 兰 克 赫 兹 实 验 仪1U5GV2A1UG020KVU 5GV1K G1K 电灯丝电流 1 7电压显示9 10 1112Un 表示 IA 第 n 次出现极大

7、值时所对应的 UG2K 。图3 F-H4 智能夫兰克 - 赫兹实验仪面板示意图 本实验采用正面板示意图见图3，图中为夫兰克赫兹管； 为 UG2A 、UG2K 、UG1K及灯丝电流的输出； 为 I A 电流显示 （表头示值乘以电流显示选择的指示值后为IA 电流实际测量值） ，为 I A 电流波段开关， 分为 200A、20A、2A、0.2 A四挡， 有 IA 电 流输入 I 端口及电流显示的调零； 为电压显示： 可以分别显示 UG1K（ 5V）、U G2 A（ 15V）、 UG2K （ 100V）值；为 UG1K （5V）、 UG2A （15V）、 UG2K （100V）电压显示选择开关， 下面

8、的 100V 调节、 15V 调节、 5V 调节分别为 UG2K 、UG2A 、UG1K 电压的调节旋钮，扫描 幅度调节为 UG2K 在自动扫描时用；为 UG2K 扫描开关（置于“自动”挡时，可在示波 器上观察稳定的 IA UG2K 曲线图样，置于“手动”挡时记录数据，）；为灯丝电流的选择开关；为示波器的接口；为电源开关；为微机接口；为微机和示波器观察 稳定的 I A UG2K 曲线图样的选择。【实验步骤】1先将 UG1K 、 UG2A、 UG2K 、灯丝电流的输出及电流输入 I 与氩气管的各极用实验 连接线相应的连接起来（注：实验前已经连好） 。再将灯丝电流调节旋钮打至 6 档。2将电源线插

9、入仪器后面的电源插座内，打开电源开关，数码管亮，预热15 分钟后开始做实验。3将“手动自动”切换开关按至“自动”挡，旋动“扫描幅度调节”旋钮到适当4将电压显示选择开关打到“ 5V”档，旋转“ 5V”调节旋钮，使电压读数为 1.8V ， 即阴极至第一栅极电压 UG1K 为 1.8V 。5将电压显示选择开关打到“ 15V”，旋转“ 15V”调节旋钮，使电压表读数为 8V 左 右，即拒斥电压 UG2A 为 8V。6将“手动 - 自动”切换开关打至“手动”档，将灯丝电流调节旋钮打至4 档或 5档（一般为 5 档）。再将电压显示选择开关打到“ 100V”档，旋转“ 100V”调节旋钮，使 电压表读数为

10、0V，即这时阴极至第二栅极电压 UG2K（加速电压） 为 0V。“电流显示选择” -9 -8 打至（10-9）档，调节“调零”旋钮，使IA 显示为 0，再将“电流显示选择” 逐次打到 10-8、 10-7 档，各档都应显示为零。然后根据IA 的大小选择合适档位（注：一般选10-9档）。7正式测量： 缓慢旋转 0-100V 调节旋钮， 使电压表读数有 0V 逐渐增大到 100V（每 隔 2V 测一个点），同时记录电流表的读数 IA ，逐点测量。为了便于作图，在峰、谷附近 可每隔 1.0V 取值。以电流 I A为纵坐标， UG2K 电压为横坐标，作出曲线。 【注：实验时一 般顺着电压增加的方向一直

11、缓慢做到底，最好不要回调电压，在峰值部位（电流变化小 的时候）电压间距值取小些。 】8在保持原有的设置参数的条件下，将手动自动开关按至“自动”位置，示波器 微机开关按至“微机”位置，在夫兰克赫兹实验仪电源未开的情况下，用九针电缆 分别连接 F-H4 夫兰克赫兹实验仪微机接口和计算机之间的串口（连接或断开串口连线时，严禁通电操作 ）（注：实验前已经连好） 。点击“开始采集”图标或“重新采集” 图标，可看到界面生成坐标线，同时电压、电流显示窗口动态显示“电压值” 、“电流值” 的变化，表示数据经通信端口已正常传输至计算机。9当数据正常传输至计算机后，界面上有一红色波形逐渐形成（如图4）。如果波形和

12、界面不匹配，可调整“电流显示选择”开关的位置（ 注：一般选 10-9 档），并在“坐标 设置”处调整电压或电流数值的比例大小（ 注：一般电压选 300V，一般电流选 3000nA）， 直至图形正常。未接停止按钮，每个周期生成的波形将重复绘出并重叠在一起，如果要 生成一个单周期的完整图，可根据电压动态窗口数据由大变小时按“重新测量”图标， 原画面自动清除并重新记录，再由大变小时，按“停止测量”图标，数据停止采集。将 鼠标点到曲线各个峰并记录下峰值的大小，计算各峰峰值之间的电势差，同时填写“实 验者”、“实验日期” 、“实验组”内容，并将各峰峰值之间的电势差的平均值填写到“实 验结果”中去。图4 计算机显示的 IA UG2K 曲线【数据处理】1.根据手动测量数据做出