弗兰克—赫兹试验报告

1、弗兰克 赫兹实验学习参考一、实验目的1、了解弗兰克 - 赫兹试验的原理和方法 ；2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法 ；3、证明原子能级的存在 ，加强对能级概念的理解 。二、实验原理玻尔提出的原子理论指出 ：原子只能较长地停留在一些稳定的状态 。原子 在这种状态时 ， 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 得。原子的能量不论通过什么方式改变 ，它只能从一个状态跃迁代另一个状 态。原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时 ，辐射的频率是一 定的 。于是有如下关系 ：hv E Em n ，式中，h 为普朗克常数 。为了使原子从低能级想高能级跃迁 ，可以通过具学习参考

2、有一定能量的电子与燕子相碰撞进行能量交换的办法来实现图 1 弗兰克 - 赫兹管结构图夫兰克一赫兹实验原理 （如图 1 所示），阴极 K，板极 A，G1 、G2 分别为第 一、第二栅极。K-G1-G2加正向电压 ，为电子提供能量 。UG K的作用主要是消除空间电荷1对阴极电子发射的影响 ， 提高发射效率 。G2-A 加反向电压 ，形成拒斥电场 。电子从 K 发出 ，在 K-G2 区间获得能量 ，在 G2-A 区间损失能量 。如果电子 进入 G2-A 区域时动能大于或等于 eUG2A ，就能到达板极形成板极电流 I.电子在不同区间的情况 ：1. K-G 1区间 电子迅速被电场加速而获得能量 。2.

3、 G1-G2 区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞 。 当其能量 小于氩原子第一激发态与基态的能级差 EE2 E1 时， 氩原子基本不吸收电子 的能量 ，碰撞属于弹性碰撞 。当电子的能量达到 E， 则可能在碰撞中被氩原子 吸收这部分能量 ，这时的碰撞属于非弹性碰撞 。 E 称为临界能量 。3. G2-A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量 。若电子进入此区间时的能 量小于 eU G2A 则不能达到板极 。学习参考由此可见，若 eUG2Kn E则电子在进入 G2-A 区域之前可能 n 次被氩原子碰撞而损失 能量。板极电流 I随加速电压 UG2K 变化曲线就形成 n个峰值，如图2所示。相

4、邻 峰值之间的电压差 U 称为氩原子的第一激发电位 。氩原子第一激发态与基态间 的能级差 ： E= e U三、实验内容及操作步骤 1 正确连接电路 ； 2 启动预热 ；3 手动测量 ；4. 调节电压 ， 纪录数据 ； 5. 绘制 IA U GK曲线 ；6. 数据处理 。UG20.511.522.533.544.55IkA0000000000UG210.51111.51212.51313.51414.515k学习参考IA0000000000UG220.52121.52222.52323.52424.525IkA1.822.22.42.6333.13.23.3UG230.53131.53232.5

5、3333.53434.535IkA2.22.42.733.43.84.34.75.25.5UG240.54141.54242.54343.54444.545k32.42.11.81.92.333.74.65.3UG250.55151.55252.55353.55454.555k IA5.84.93.92.92.21.61.21.31.82.6UG260.56161.56262.56363.56464.565k IA9.69.28.57.66.65.44.33.12.11.4UG270.57171.57272.57373.57474.575k IA10.410.911.211.311.110.7

6、10.19.28.16.9UG280.58181.58282.58383.58484.585k IA7.18.59.410.511.311.912.312.612.612.3UG290.59191.59292.59393.59494.595IkA3.744.95.86.98.29.210.21111.9UG2100.5101101.5102102.5103103.5104104.5105IkA9.58.47.46.76.26.16.26.67.28.1UG2110.5111111.5112112.5113113.5114114.5115IkA14.814.714.213.713.112.311

7、.510.810.19.7学习参考IA UGK 曲线数据处理 ：U1=26.5V U2=37.0V U3=48.5V U4=60.5VU5=71.5V U6=83.5V U7=96.0V U8=109.0用逐差法计算第一激发电位可得 ：Uo=(U8-U4)+(U7-U3)+(U6-U2)+(U5-U1)/(4*4) =(109.0-60.5)+(96.0-48.5)+(83.5-37.0)+(71.5-26.5)/(4*4)=11.71875V11.7V四、思考题能否用氢气代替氩气 ，为什么 ？答：不能； 氢气是双原子分子 ，激发的能级是分子能级而非原子能级 。1. 为什么 I-U 曲线不会从

8、原点开始 ？答：电子由热阴极发出 ，刚开始加速电压主要用于消除阴极电子的散射的 影响 ，后来电子加速 ，使其具有了较大的能量冲过反向拒斥电场而到达板极形 成板流 ，并为微电流计所检验出来 ，故曲线不是从原点开始的 。2. 为什么 T不会降到零 ？答： 随着第二栅极电压的不断增加 ，电子的能量也随之增加 ，在与氩原子 相碰撞后还留下足够的能量 ，可以克服反向拒斥电场到达板极 ，这时电流又开 始上升，不致下降到零 。3. 为什么 I 的下降不是陡然的 ？答：因为 K 极发出的热电子能量时服从麦克斯韦统计分布规律 ，因此极电学习参考流下降不是陡然的4. 在 F-H 实验中 ，得到的 I-U 曲线为什

9、么呈周期性变化 ？答：当G2k 间的电压达到氩原子的第一激发电位 U0时电子在第二栅极附近 与氩原子相碰撞 ，将自己从加速电场中获得的全部能量给了氩原子 ， 即使穿过 了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被驳回第二栅极 ，所以 ，板极电流讲显 著减小 。随着第二栅极电压的不断增加 ，电子的能量也随之增加 ，在与氩原子 想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 又开始上升 ，直到 G2K间的电压是二倍的第一激发电位时 ，电子在 UG2k 间又 会因第二次碰撞而失去能量 ，因而又会造成第二次板极电流的下降 ， 同理，凡 UG2k 之间电压满足 ：UG2k=nU0(n=1,2,3.) 时，板极电流 IA 都会相应下跌 ，形 成规则起伏变化的 I-U 曲线 。5. 在 F-H 管的 I-U 曲线上的第一个峰的时候 ， 是