2024年北航物理实验-弗兰克赫兹研究性实验报告

基础物理研究性试验汇报弗兰克赫兹试验第一作者： 第二作者：所在院系： 目录摘要： 3Abstract 3一、 实验目的 4二、 实验原理 41) 激发电位 42) 夫兰克-赫兹实验的原理 5三、 实验仪器 7四、 实验内容 71) 准备工作 72) 氩元素的第一激发电位手动测量 73) 氩元素的第一激发电位自动测量 8五、 数据处理（手动测量） 81) 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V 82) 灯丝电压3.2V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V 103) 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.0V，拒斥电压9.0V 114) 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压8.0V 12六、 实验结果探究 131) 实验结果分析探究 132) 误差来源分析探究 13七、 实验感想 14参考文献： 14附： 15摘要：本研究性汇报以“弗兰克赫兹试验”试验為深入研究探讨的課題，简朴简介弗兰克赫兹试验的基本原理以及操作环节等，重點進行变化某個试验环节後试验的误差分析，從而深入理解在试验過程中严格控制试验环节的對的性對试验成果的重要性，對此後误差分析有一定的作用。关键詞：弗兰克赫兹试验环节误差AbstractThisresearchreport"FrankHertzexperiment"experimentsin-depthstudyofthethemes,abriefintroductionofthebasicprinciplesofFrankHertzexperimentandprocedure,focusingstepstochangeanexperimentexperimentalerroranalysis,andlearnmoreabouttheexperimentalprocedurestrictcontrolofthecorrectnessoftheexperimentalprocedureoftheimportanceoftheexperimentalresults,erroranalysisforthefuturehaveacertainrole.Keywords:FrankHertzexperimentsteperror试验目的1、理解弗兰克--赫兹试验的原理和措施；2、學习测定氩原子的第一激发電位的措施；3、证明原子能级的存在，加强對能级概念的理解。试验原理激发電位玻尔提出的原子理论指出：（1）原子只能较長地停留在某些稳定状态（简称為定态）。原子在這些状态時，不发射或吸取能量：各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不管通過什么方式发生变化，它只能從一种定态跃迁到另一种定态。（2）原子從一种定态跃迁到另一种定态而发射或吸取辐射時，辐射频率是一定的。假如用Em和En分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率ν决定于如下关系：hν＝Em－En（1－1－1）式中，普朗克常数h=6．63×10-34J·s為了使原子從低能级向高能级跃迁，可以通過具有一定能量的電子与原子相碰撞進行能量互换的措施来实現。设初速度為零的電子在電位差為U0的加速電場作用下，获得能量eU0。當具有這种能量的電子与稀薄气体的原電子与原子（例如拾几种乇的氩原子）发生碰撞時，就會发生能量互换。如以E1代表氩原子的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么當氩原子吸取從電子传递来的能量恰好為eU0=E2－E1（l－1－2）時，氩原子就會從基态跃迁到第一激发态。并且對应的電位差称為氩的第一激发電位（或称氩的中肯電位）。测定出這個電位差U0，就可以根据（l－2－2）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了（其他元素气体原子的第一激发電位亦可依此法求得）。夫兰克-赫兹试验的原理夫兰克一赫兹试验的原理图如图一所示。在充氩的夫兰克一赫兹管中，電子由热阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速電压UG2K使電子加速。在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥電压UG2A。管内空间電位分布如图二所示。當電子通過KG2空间進入G2A空间時，假如有较大的能量（≥eUG2A），就能冲過反向拒斥電場而抵达板极形成板极電流，為微電流计μA表检出。假如電子在KG2空间与氩原子碰撞，把自已一部分能量传給氩原子而使後者激发的话，電子自身所剩余的能量就很小，以致通過第二栅极後已局限性于克服拒斥電場而被折回到第二栅极，這時，通過微電流计μ试验時，使UG2K電压逐渐增長并仔细观测電流计的電流指示，假如原子能级确实存在，并且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观测到如图三所示的IA～UG2K曲线。图三所示的曲线反应了氩原子在KG2空间与電子進行能量互换的状况。當KG2空间電压逐渐增長時，電子在KG2空间被加速而获得越来越大的能量。但起始阶段，由于電压较低，電子的能量较少，虽然在运動過程中它与原子相碰撞也只有微小的能量互换（為弹性碰撞）。穿過第二栅极的電子所形成的板极電流IA将随第二栅极電压UG2K的增長而增大（如图三的oa段）。當KG2间的電压到达氩原子的第一激发電位Uo時，電子在第二栅极附近与氩原子相碰撞，将自已從加速電場中获得的所有能量交給後者，并且使後者從基态激发到第一激发态。而電子自身由于把所有能量給了氩原子，虽然穿過了第二栅极也不能克服反向拒斥電場而被折回第二栅极（被筛选掉）。因此板极電流将明显減小（图三所示ab段）．伴随第二栅极電压的增長，電子的能量也随之增長，在与氩原子相碰撞後還留下足够的能量，可以克服反向拒斥電場而到达板极A，這時電流又開始上升（bc段）。直到KG2间電压是二倍氩原子的第一激发電位時，電子在KG2间又會因二次碰撞而失去能量，因而又會导致第二次板极電流的下降（cd段），同理，凡在UGK2＝nUo（n＝1，2，3……）（1－1－3）的地方板极電流IA都會對应下跌，形成规则起伏变化的IA～UGK2曲线。而各次板极電流IA下降相對应的阴、栅极電压差Un+1一Un应當是氩原子的第一激发電位Uo。.本试验就是要通過实际测量来证明原子能级的存在，并测出氩原子的第一激发電位（公认值為Uo＝11.61V）。原子处在激发态是不稳定的。在试验中被慢電子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，進行這种反跃迁時，就应當有eUo電子伏特的能量发射出来。反跃迁時，原子是以放出光量子的形式向外辐射能量。這种光辐射的波長為（1－1－4）對于氩原子Å假如夫兰克一赫兹管中充以其他元素，则可以得到它們的第一激发電位（表一）表一几种元素的第一激发電位ElementSodium(Na)Potassium(K)Lithium(Li)Magnesium(Mg)Mercury(Hg)Helium(He)Neon(Ne)U0（V）2.121.631.843.24.921.218.6λ(Å)58985896766476996707.845712500584.3640.2试验仪器FH-2智能夫兰克一赫兹试验仪，示波器，导线若干。试验内容准备工作①按照下图所示，连接好各组工作電源线，仔细检查，确定無误。连接示波器，以直观观测IA-UG2K的波形变化状况②打開電源，将试验仪预热20～30分钟。氩元素的第一激发電位手動测量①设置仪器為“手動”工作状态，按“手動/自動”键，“手動”指示灯亮。②设定電流量程，按下對应電流量程键，對应的量程指示灯點亮。③设定電压源的電压值。④按下“启動”键，试验開始。⑤重新启動.這時，操作者可以在该状态下重新進行测试，或修改状态後再進行测试。氩元素的第一激发電位自動测量智能夫兰克一赫兹试验仪除可以進行手動测试外，還可以進行自動测试。進行自動测试時，试验仪将自動产生VG2K扫描電压，完毕整個测试過程；将示波器与试验仪相连接，在示波器上可看到夫兰克一赫兹管板极電流随VG2K電压变化的波形。①自動测试状态设置②VG2K扫描终止電压的设定③自動测试启動④自動测试過程正常結束⑤自動测试後的数据查询⑥中断自動测试過程=7\*GB3⑦結束查询過程答复初始状态数据处理（手動测量）灯丝電压3.0V，第一栅极電压1.5V，拒斥電压9.0V计算氩的第一激发電位V20.033.544.055.066.578.5I0.1800.4780.8231.2211.5781.833逐差法：∆V1=35V∆Vu0不确定度：μa=μ最终体現式為：u相對误差:η=灯丝電压3.2V，第一栅极電压1.5V，拒斥電压9.0V计算氩的第一激发電位V20.033.544.055.066.578.5I0.3701.0491.8352.6573.3243.769逐差法：∆V1=35V∆Vu0不确定度：μa=μ最终体現式為：u相對误差:η=灯丝電压3.0V，第一栅极電压1.0V，拒斥電压9.0V计算氩的第一激发電位V24.033.043.555.066.578.5I0.2460.5310.8731.2581.6011.855逐差法：∆V1=31V∆Vu0不确定度：μa=μ最终体現式為：u相對误差:η=灯丝電压3.0V，第一栅极電压1.5V，拒斥電压8.0V计算氩的第一激发電位V14.032.544.054.566.078.0I0.1890.6440.9851.3961.7602.029逐差法：∆V1=40.5V∆Vu0不确定度：μa=μ最终体現式為：u相對误差:η=试验成果探究试验成果分析探究1、增大第一栅极電压，板极電流的变化不明显，對应相似的VG2k的IA有增有減，但總体趋势不变，各峰值對应的V2、增大灯丝電压，板极電流明显增大，而VG3、增大拒斥電压，理论上分析，板极電流将下降，而试验中测得板极電流有小幅上升，数据测量有误差。误差来源分析探究由于预热局限性，使测量值产生误差；在试验時，由于電压的步差不也許持续，故测量的峰值會有一定的误差；仪器自身存在一定的误差。前面的氩原子激发後产生了一种额外的電場，导致背面的激发電压越来越高挣值分析措施的数据来源于项目计划与跟踪，因此应當在项目计划中指定搜集数据的周期，這個周期被称作汇报期。汇报期的设置视项目的规模而定，周期不适宜過短或過長。汇报期设置太短，會导致度量频繁发生，增長度量成本，得出某些無意义的成果。總体来說，各個参数對VG