弗兰克-赫兹实验实验报告之欧阳学创编

1、赫兹实验创作：欧阳学时间：2021.03. 03一实验目的通过测定汞原子的笫一激发电位，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， 它只能从一个定态跌迁到另一个 定态。(2) 原子从一个定态飯迁到 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，满足爪=Em -En(J )原子实现能级跌迁的途径之一，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

2、电场作用 下，获得的能量为eU,当具有这种能量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 Ei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-Ex (2)夫兰克-核子实验原理如图1示。IA/nAUgkMI 线Ugk/V时，汞原子就会从基态跌迁到第一激发态。相应的电势差 称为汞的笫一激发电势(中肯电势)。图3夫兰克申兹管第一激在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出， 和栅极 G 之间的加速电压 Ugk供电子加速。在板极 A 和 栅极 G 之间加有拒斥电压 Uag。管子空间电位分布如图2 示。当电子通过 KG 空间进入

3、 GA 空间时，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 流将显著的减小。实验时，观察电流计的电流随 Ugk逐渐増加时的现 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 空间披加速而取 得越来越大

4、的能量。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笫一激发态。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将显著减 小（图 AB段）o 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极 A

5、, 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 又造成了笫二次板极电流的下降（CD 段），同理UgkfUq（n=i, 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、栅极电压差应该是汞原子的笫一激发电势。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，工作选择置于DC, 工作状态置于 R, 栅

6、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档 位）和满度（FULL） o4、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，纟田丿观察IA 的变彳匕同时记录数据。读出IA的峰谷值的电流和对应的电 压，至少庁己录4组峰谷值。为了准确反映实验规 律在峰谷值的两侧分别H已两组数据。6、实验完毕，微电流放大器工作选择，工作状态宣于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稣2谷2ill 笔 3谷3峰4谷4Ugk11.612.115.116

7、.919.621.524.226.2Ia/uA (IO5)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Uq = s亦-H 或 ”0 = Un = U谷-谷“，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)笫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芳邑级存在，并根 据实验数据计算得到汞原子的笫一激发电势为U。= b = (4.60.3W ,与公认的理论值“0 =4.9H 符合的较好。2、误差可能出现的原因(1) 温度的微小变化弓I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间的对应，避免混接或短路。2、对微电流放大器先进行预热，在接通加热炉