弗兰克赫兹实验报告记录

1、弗兰克赫兹实验报告记录作者:日期:弗兰克-赫兹实验一. 实验目的测量F-H管传统情况下加速电压与板极电流的关系曲线。二. 实验原理1. 激发电势(1)玻尔的原子理论原子只能较长地停留在定态，原子在这些状态时，不发射也不吸收能量。各 定态有一定的能量，其数值是彼此分割的。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。原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的，如果用Em和En分别表示有关两定态的能量，辐射的频率.决定如下关系：h = EmEn式中，h为普朗克常量，为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的

2、办法来实现。(2)设初速度为零的电子在电势差为Uo的加速电场作用下，获得能量eU°，当具有这种能量的汞电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量交换。如以E!代表汞原子的基态能量，E2代表汞原子的第一激发态能量，那么 当汞原子吸收从电子传递来的能量恰为eUo = E? - 巳(1)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。测定出这个电势差U。，就可以根据公式(1)求出汞原子的基态和第一激发 态之间的能量差了。2. 弗兰克-赫兹管S-图二K5BKGPBYN.p ng" * MERGEFORMATINET K5BKGPBYN.p ng" *

3、 MERGEFORMATINET團三图一：GlG2短接， GlG2为等势区，电子由热阴极发出，经加速电压 UG2K使电 子加速，电子可达到任意位置。如果电子在空间中与汞原子碰撞， 把自己一部分 能量传给汞原子。从阴极射出来的电子能量不同， 从小到大分布，能量大的原子 传递给汞原子能量，先进入激发状态。图二：加速电压的正极接G1；图三：加速电压的正极接 G2。这样连接的电路， 能保证没有热电子打到板极上，只有正离子会从加速电压正极向板极加速运动。此时由于原子电离可以测到板极电流。三实验装置1. 弗兰克-赫兹管弗兰克-赫兹管为实验仪的核心部件，弗兰克-赫兹管采用间热式阴极、双栅极和 板极的四极形式

4、，各极均为圆筒状。弗兰克-赫兹管充汞气，玻璃封装。2. 工作电源：F H管电源组用来提供F H管各极所需的工作电压。其中包括灯 丝电压UF,直流0V6.3V连续可调；第一栅极电压UG1K直流05V连续可调; 第二栅极电压UG2K直流0100V连续可调。3. 扫描电源和微电流放大器：提供 012V的手动可调直流电压或自动慢扫描输 出锯齿波电压，作为F H管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。4. 微电流测量仪：微电流放大器用来检测 F H管的板流。四实验内容1. 了解弗兰克-赫兹管的结构2. 了解炉温对汞管内蒸汽浓度和电子自由程的控制，蒸汽浓度与T为指数关系，自由程与T成反比关系。3. 分析

5、电子碰撞原子造成原子激发类型和退激发的后果，即造成原子能级的跳 跃。原子激发类型分为：低激发、高激发、电离。并且需要的能量越来越高。 激发类型与自由程的关系：自由程越小，碰撞的机会越大，低激发概率就越大。 因此：在炉温为140摄氏度时，观察低激发态；在炉温为100摄氏度时，观察高激发态；在70至80摄氏度时，观察电离现象。退激发：原子处于低激发态时是不稳定的， 容易从高能级跃迁到低能级，能量通 常是同u过光辐射释放出去，在原子与原子之间传递。3. 选择外部电路，连接电路图，从O.Ov起，每隔一定的电压值调节电压源Ugk， 仔细观察弗兰克-赫兹管的极板电流值Ip的变化，读出极板电流值Ip及对应的

6、电压值Ugk。4. 自拟表格，详细记录实验条件和相应的I -U®k值。五.实验数据分析表1测量汞原子的电离曲线电压U gk (V)板极电流1 p (A)7.60.17.80.380.48.10.68.20.78.30.98.618.91.291.39.11.49.31.89.5210.62.112.62.212.8312.93.413.2413.66.113.7813.9111412.614.321.214 42414.536.714.63914.74214.846-一电压-板极电流89101112131415电压值图四根据实验图像可知，该图像可分为 4个阶段。第一阶段（A点）：电流

7、为0,说明板极上没有粒子打上去，也没有粒子跑出来， 即没有粒子激发也没有粒子电离。第二阶段（A-B段）：激发开始，光电流产生，光子打到板极上。第三阶段：（B-C段）激发达到饱和，加速电压同时是控制电压，热电子发射达到饱和，此时G-G2间是等势区，热电子在获得了加速能量后，在此区与汞原子碰撞，碰撞的距离长，碰撞机会多，因此，在加速能量没有达到电离能以前，就会有很多汞原子被激发，因紫外辐射所形成的光电流较大，能被测量到，这就 是“矮平台”的来源，但是此时加速能量不足以达到电离能。第四阶段：（C以后）电离开始，当电子的能量被加速到电离能以上的数值，电 子与原子的碰撞就可能使汞原子电离， 而电子在奔向

8、极板p的过程被加速，所获 得的能量有可能让别的原子电离，形成“雪崩效应”，极板电流就会迅速增大， 这就是曲线上升的原因。表二电压U GK （ V）板极电流1 p （ A）8.9013013.40.113.50.213.6113.91.2141.414.1214.32.414.52.614.62.814.7314.83.815415.14.815.25.815.57.215.68.115.78.215.910.11610.416.213.816.415.916.617.916.921.9172417.12617.227.917.432.217.53417.63617.739.217.840.11

9、7 942 318.149表三电压Ugk (V)板极电流X (A)25.50260.127.10.828.8130.51.230.81.331.11.531.41.731.61.932.3232.72.133333.13.433.33.833.43.933.5433.64.233.75.9346.234.2834.38.634.49.934.510.234.711.934.81334.914.135.11635.218.435.52235.623.835.726363236.13636.23836.442.436.546.636.649.9X Axis Title图五前三个不同的电路图所测数据画在在同一个表上所得到的结果。图中电流为0时电压的值有明显的差别，造成这种情况的原因是：对于图一电路来说，G2与P之间是反射区，加速电压同时是控制电压。此时 G1与G2间是等势区，热 电子在获得了加速能量后，在此区与汞原子碰撞，碰撞的距离长，碰撞机会多， 所以整体比较靠左；对于图二电路来说，加速电压同时也是控制电压，电子一旦 进入了 G1与P之间的反射区域，就开始减速，到不足一半的距离就要反射回来。 此时，电子与原子非弹性碰撞的机会少， 在