弗兰克-赫兹试验试验报告

1、莄 For pers onal use only in study and research; not for commercial use薀弗兰克-赫兹实验薇一实验目的螃通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。肃二实验原理莇1激发电势蚆玻尔的原子能级理论膃（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。薀（ 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，满足荿 hv = Em - En（ 1）螄原子

2、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。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芀eU°= E2 - Ei（ 2）蒀时，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）腿夫兰克-核子实验原理如图1示。圉g夫兰克-赫感“子内部电位分布薁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

3、入 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。莀实验时，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。但起始阶段，由于电压较低

4、，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将显著减小（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

5、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），同理螆 Ugk =nU° （ n=1, 2, 3,）（3）薃凡符合（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U m 1 -U m应该是汞原子的第一激发电势。芁三实验仪器膈FH-1A夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。膈四实验内容及步骤1、2、 肃正确连接线路，A、G、H、K连线一一对应，不可混接或短路。3、4、 肂将微电流放大器，工作选择置于DC,工作状态置于 R,栅极电压调到最小，预热 5分

6、钟。5、6、 艿接通加热炉电源，温度升至180 C时调零（10-5档位）和满度（FULL ）。8、芆缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA的起伏变化，当 卩A表满度时相应的改变倍率。9、10、蒂从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。11、12、螂实验完毕，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。芀五、数据记录及处理莅1实验数据记录膆蒃峰1肇谷1螇峰2薅谷2芃峰3腿谷3祎峰4羄谷4蝿 U gk/V賺 11.6膈

7、12.1蒄 15.1蒀 16.9羈 19.6莆 21.5袃 24.2芀 26.2聿 Ia/ 卩 A (10-5)蒅 13.6节5.9羀 39.0肁7.9螇 59.0蚂 12.1蚁 121.0袈 24.0莅2数据处理蒁（1）根据实验原理可以得到第一激发电势为罿 U 0 = Un = U 峰 n 1 - U 峰 n H 或 U 0 = ：U n = U 谷 n 1 _U 谷 n，得芈.：U 4 =15.1 11.6 =4.5U 2 = 19.6 15.1 =4.5袅 U 3 =24.2 _19.6 =4.6：U4 = 16.912.1 = 4.7膂 U 5 = 21.516.9 二 4.6：U6

8、=26.2 -21.5 =4.7螇故4.5 4.5 4.6 4.7 4.6 4.7= 4.6V6芄(2)不确定度计算羂A类分量' (5 -U0)2z . n生 n( n -1)L222222(4.5-4.6)2 (4.5-4.6)2(4.6-4.6)2(4.7 -4.6)2 (4.6 -4.6)2(4.7-4.6)26 (6-1)= 0.0133B类不确定度分量1 .2"仪 11u 二-20.29(32J3合成不确定度s2 u2 = 0.00132 0.872 二 0.29 : 0.3(3 )第一激发电势为U0 f ；U ： ：； =(4.6 -0.3)VB 二石 100%

9、=6.5%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U。=（4.6 _0.3）V，与公认的理论值Uo = 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，避免混接或短路。2、对微电流放大器先进行预热，在接通加热炉电源。3、使用仪器时注意调零和满度。4、由于有热惯性，带加热炉温度稳定后进行测量。5、加热炉温度很高，避免灼伤。6、微电流放大器电流表满偏时迅速降低栅极电压或扩

10、大电流表倍率，以免损坏仪器。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pas ns commerdeses.to员bko gA.nro

11、geHKO TOpMenob3ymrnflCH6yHeHuac egoB u HHuefigoHMucno 员 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 员 ex.仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la rech