夫兰克—赫兹实验(1)

1、综合物理实验报告西安交通大学实验报告 课程 综合物理实验 实验名称 弗兰克赫兹实验 第 1 页 共 11 页 系 别 应用物理系 实 验 日 期 ： 15 年 11月 24 日专业班号_应物32_组别_ 交报告日期： 15 年 12月 1 日姓 名 袁陵武 学号 2130903042 报 告 退 发 ： （订正、重做）同 组 者 教师审批签字：实验名称 弗兰克赫兹实验 一、实验要求1通过测氩原子第一激发电位，了解Franck和Hertz在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。2了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。二、实验仪器FH1A Franck-Hertz实验仪、示波器等。三、

2、工作原理充氩四极Franck-Hertz实验原理图如图2.1所示图2.1 Franck-Hertz实验原理图电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述： （2.1）式中： me原子质量；M电子质量；v电子碰撞前的速度；v电子碰撞后的速度；V原子碰撞前的速度；V原子碰撞后的速度；E原子碰撞后内能的变化量。按照波尔原子能级理论，E=0 弹性碰撞； (2.2)E=E1-E0 非弹性碰撞；式中：E0 原子基态能量； E1原子第一激发态能量。电子碰撞前的动能< E1-E0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，E=0，原子仍然停留在基态。电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能 E1-E0，才能在电子产

3、生非弹性碰撞，使得电子获得某一值（E1-E0）的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。 Franck-Hertz管即是为此目的而专门设计的。在充入氩气的F-H管中（如图2.1所示），阴极K被灯丝加热发射电子，第一栅极（G1）与阴极K之间的电压 VG1K 约为1.5V ，其作用是消除空间电荷对阴极K的影响。当灯丝加热时，热阴极K发射的电子在阴极K与第二栅极（G2）之间正电压形成的加速电场作用下被加速而取得越来越大的动能，并与VG2K空间分布的气体氩原子发生如 (2.1) 式所描述的碰撞而进行能量交换。第二栅极（G2）和A极之

4、间的电压称为拒斥电压，起作用是使能量损失较大的电子无法达到A极。阴极K发射的电子经第一栅极（G1）选择后部分电子进入G1G2空间，这些电子在加速下与氩原子发生碰撞。初始阶段, VG2K较低，电子动能较小，在运动过程中与氩原子作弹性碰撞，不损失能量。碰撞后到达第二栅极（G2）的电子具有动能，穿过G2后将受到VG2K形成的减速电场的作用。只有动能 大于eVG2A 的电子才能到达阳极A形成阳极电流IA，这样,IA将随着VG2K的增加而增大，如图 IA VG2K 曲线Oa段所示。当VG2K达到氩原子的第一激发电位13.1V时，电子与氩原子在第二栅极附近产生非弹性碰撞，电子把从加速电场中获得的全部能量传

5、给氩原子，使氩原子从较低能级的基态跃迁到较高能级的第一激发态。而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使他能穿过第二栅极也不能克服VG2A形成的减速电场的拒斥作用而被拆回到第二栅极，所以阳极电流将显著减少，随着VG2A的继续增加，产生非弹性碰撞的电子越来越多，IA将越来越小，如图2.2曲线ab段所示，直到b点形成IA的谷值。图2.2 IAVG2K曲线b点以后继续增加VG2K ，电子在G2K空间与氩原子碰撞后到达G2时的动能足以克服 VG2A加速电场的拒斥作用而到达阳极（A）形成阳极的电流IA，与Oa段类似，形成图2.2曲线bc段。直到 VG2K为2倍氩原子的第一激发电位时，电子在G2K空间有回音

6、第二次非弹性碰撞而失去能量，因此又形成第二次阳极电流IA 的下降，如图2.2曲线cd段，以此类推， IA随着VG2K 的增加而呈周期性的变化。相邻两峰（或谷），对应的VG2K 的值之差即为氩原子的第一激发电位值。四、实验仪面板说明FH1A夫兰克赫兹实验仪面板布置如图所示 图3.1 FH-1A Franck-Hertz实验仪面板布置图五、调试步骤及实验内容1 熟悉夫兰克赫兹实验仪各开关按钮的作用及示波器的使用方法。2 不要急于按入电源开关 ，应先将-四个电压调节旋钮逆时针旋到底，并把IA量程切换开关置于“×(100nA)”，VG2K输出端口和IA输出端口分别用带Q9连接头的电缆连接至示

7、波器或其他设备X轴输入端口和Y轴输入端口。3 如果输出端口和连接的是示波器，自动/手动切换开关置于“自动”，快速/慢速切换开关置于“快速”，否则切换开关置于“慢速”。4 按入电源开关，接通仪器电源，配合使用电压指示切换开关调节电压调节旋钮-，使VH约为5V（数值不可太小，以免逸出电子数量少、能量低），并重复操作依次调节电压调节旋钮和，分别使VG1K约为1.7V，VG2A约为8V（数值过高易使拒斥电压过高，能量损失较大的电子无法到达A极）。5逐渐调节，改变电压VG2K，调节示波器X和Y各相关旋钮，使波形正向，清晰稳定，无重叠，并要求X轴满屏显示，Y轴幅度适中。6再次调节电压调节旋钮 ，使波形如图

8、 2.2 所示的IAVG2K 曲线，并保证可观察到6个以上的 IA 峰值（或谷值），且峰谷幅度适中，无上端切顶现象，从左至右，IA各谷值逐个抬高。7测量示波器上所示波形图中相邻 IA谷值（或峰值）所对应的VG2K之差（即显示屏上相邻谷值或峰值的水平距离）求出氩原子的第一激发电位。8选择手动，慢速测量（此内容可以不使用示波器），使VG2K 从最小开始，每间隔5V逐渐增大，在随着VG2K的值改变IA剧烈变化时，应该减少采样点之间的电压值间距，使所采样的点值能够尽量反映出电流与电压的波形曲线轮廓，在极值点附近进行密集采样。记录 IA 与V值，测量至少包括6个峰值（5个谷值），按记录数据画出图形。9根

9、据图形计算出相邻 IA谷值（或峰值）所对应的VG2K之差（求出6个峰值之间的5个VG2K之差，再求取平均值，以使测量结果更精确。）求出氩原子的第一激发电位。六、实验数据分析VHH=3.3V;VAG2=4.2V;VG1K=2.5VVG2K/VI/mAVG2K/VI/mA005034.4205234.240.15427.560.15622.580.25829.6102.66037.11266242.1147.76443.9168.66640187.86835.2203.77037.7225.57243.32413.97450.42617.27654.92817.57855.73012.18053.

10、3323.98253.93414.48457.93623.58663.83826.58870.54025.79074.44218.19275.94411.59477.24623.296804831.59885VHH=3.3V;VAG2=5.2V;VG1K=2.5VVG2K/VI/mAVG2K/VI/mA005038.4205239405432.3605621.682.35828.11076037.91210.46245.51411.864491612.26645.71810.56837.5205.17037.3225.57244.82415.47453.12620.87659.62821.37

11、861.63015.68058.2324.68255.63415.48458.83625.68665.53830.78874.24030.490804222.19280.84410.59480.446229681.64832.99885.7阴极K发射的电子经第一栅极（G1）选择后部分电子进入G1G2空间，这些电子在加速下与氩原子发生碰撞。初始阶段, VG2K较低，电子动能较小，在运动过程中与氩原子作弹性碰撞，不损失能量。碰撞后到达第二栅极（G2）的电子具有动能，穿过G2后将受到VG2K形成的减速电场的作用。只有动能 大于eVG2A 的电子才能到达阳极A形成阳极电流IA，这样,IA将随着VG2K

12、的增加而增大，即上述曲线中的上升区域。当VG2K达到氩原子的第一激发电位时，电子与氩原子在第二栅极附近产生非弹性碰撞，电子把从加速电场中获得的全部能量传给氩原子，使氩原子从较低能级的基态跃迁到较高能级的第一激发态。而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使他能穿过第二栅极也不能克服VG2A形成的减速电场的拒斥作用而被拆回到第二栅极，所以阳极电流将显著减少，随着VG2A的继续增加，产生非弹性碰撞的电子越来越多，IA将越来越小，上述曲线中，IA达到最高值后会逐渐下降，直到形成谷值。如此下去，每隔一个氩原子的第一激发电位就会出现一个峰值或谷值，从而证实了原子中稳定量子态能级的存在。其实从理论上来说在I

13、A-VG2K曲线中会许多电流的下降，这些对应的就是氩原子的其他激发态，由于本实验精度的问题，我们只能从图中定性看到这些现象，而不能定量的进行测量。将两次的IA-VG2K曲线放在同一坐标下，然后对峰谷进行记录整理。 由上图可知，系列一的VAG2=4.2V；系列二的VAG2=5.2V，并且系列二的IA-VG2K曲线普遍于系列一的IA-VG2K曲线。这是因为VG2K是G2栅极和A极之间的拒斥电压，其作用是使得能量损失较大的电子无法到达A极。 在其他条件相同的情况下，假设系列一实验中能到达A极的电子能量为E1，系列二实验中能达到A极的电子能量为E2（E2>E1）。拒斥电压VG2K变大，使得在第一

14、次实验中能量处于E1到E2之间的电子不能再次到达A极，即使得A极接受到的电子数变小，从而接受极A回路中的电流会变小，因此系列二的IA-VG2K曲线普遍于系列一的IA-VG2K曲线。次数谷值/V谷值间隔/V平均值/V/VEr12012 12.40.40.2123234412 0.445612 0.456913 0.668213 0.6由表可得：氩原子第一激发电位为12.4V；标准值：E1=13.1V实验误差：Er=（13.1-12.4）/13.1=5.3%6、 实验误差1、 读取谷值时存在人为误差2、 在VG2K增加的过程中，电流增大，使得灯泡中氩原子的温度升高，对实验产生一定误差。3、

15、60;由于预热不足，使测量值产生误差； 4、  在实验时，由于电压的步差不可能连续，故测量的峰值会有一定的误差；七、思考题：1为什么常用电子来研究原子的特性？电子是构成原子的基本粒子之一，质量极小，带单位负电荷，不同的原子拥有的电子数目不同。电子的质量小，便于加速，从而得到高速的电子，这是研究原子的一个常用工具。原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位。一个原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。原子的质子数决定他所属于哪种元素，而原子的电子数等于质子数。结构决定性质，元素的化学性质由最外层电子决定。综上三点，所以常用电子来研究原子特性。2. FH 管内所充的原子有何要求？除用氩原