弗兰克—赫兹实验报告

1、精品弗兰克赫兹实验-可编辑 -精品一、实验目的1、了解弗兰克 - 赫兹试验的原理和方法；2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法；3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。二、实验原理玻尔提出的原子理论指出：原子只能较长地停留在一些稳定的状态。原子在这种状态时，不发射或吸收能量。 各定态有一定的能量， 其数值是彼此分隔得。原子的能量不论通过什么方式改变，它只能从一个状态跃迁代另一个状态。原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时，辐射的频率是一定的。 于是有如下关系：hvEmEn ，式中， h 为普朗克常数。为了使原子从低能级想高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与燕子相碰撞进行能量

2、交换的办法来实现。图 1弗兰克 - 赫兹管结构图夫兰克一赫兹实验原理 (如图 1 所示 )，阴极 K，板极 A，G1 、 G2 分别为第一、第二栅极。-可编辑 -精品K-G 1 -G 2 加正向电压， 为电子提供能量。 U G1 K 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G2-A 加反向电压，形成拒斥电场。电子从 K 发出，在 K-G 2 区间获得能量，在G2-A 区间损失能量。如果电子进入 G2 -A 区域时动能大于或等于e U G2 A ，就能到达板极形成板极电流I.电子在不同区间的情况：1. K-G 1 区间电子迅速被电场加速而获得能量。2. G 1 -G 2 区间

3、 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差E E2E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到E，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。E 称为临界能量。3. G 2 -A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于 eU G2A 则不能达到板极。I (nA)由此可见，若 eUG2KnE 则电子在进入 G2-A 区域之前可能 n 次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流I 随加速电压 U G 2K 变化曲线就形成n 个峰值，如图 2 所示。-可编辑 -精品相邻峰值之间的电压差U 称

4、为氩原子的第一激发电位。 氩原子第一激发态与基态间的能级差：E= eU三、实验内容及操作步骤1 正确连接电路；2 启动预热；3 手动测量；4. 调节电压，纪录数据；5.绘制IA UGK曲线 ；6. 数据处理。UG0.511.522.533.544.552k0000000000IAUG10.51111.51212.51313.51414.5152k0000000000IAUG20.52121.52222.52323.52424.5252k1.822.22.42.6333.13.23.3IAUG30.53131.53232.53333.53434.5352k2.22.42.733.43.84.34

5、.75.25.5IAUG40.54141.54242.54343.54444.5452k32.42.11.81.92.333.74.65.3UG50.55151.55252.55353.55454.5552k5.84.93.92.92.21.61.21.31.82.6IAUG60.56161.56262.56363.56464.5652k9.69.28.57.66.65.44.33.12.11.4IAUG70.57171.57272.57373.57474.5752k10.410.911.211.311.110.710.19.28.16.9IAUG80.58181.58282.58383.58

6、484.5852k7.18.59.410.511.311.912.312.612.612.3IA-可编辑 -精品UG90.59191.59292.59393.59494.5952k3.744.95.86.98.29.210.21111.9IAUG100.5101101.5102102.5103103.5104104.51052k9.58.47.46.76.26.16.26.67.28.1IAUG110.5111111.5112112.5113113.5114114.51152k14.814.714.213.713.112.311.510.810.19.7IAIAUGK 曲线数据处理：U1=26

7、.5V U2=37.0V U3=48.5V U4=60.5VU5=71.5V U6=83.5V U7=96.0V U8=109.0用逐差法计算第一激发电位可得：Uo=(U8-U4)+(U7-U3)+(U6-U2)+(U5-U1)/(4*4)=(109.0-60.5)+(96.0-48.5)+(83.5-37.0)+(71.5-26.5)/(4*4)=11.71875V11.7V四、思考题能否用氢气代替氩气，为什么？-可编辑 -精品答：不能；氢气是双原子分子，激发的能级是分子能级而非原子能级。1. 为什么 I-U 曲线不会从原点开始？答：电子由热阴极发出， 刚开始加速电压主要用于消除阴极电子的散

8、射的影响，后来电子加速， 使其具有了较大的能量冲过反向拒斥电场而到达板极形成板流，并为微电流计所检验出来，故曲线不是从原点开始的。2. 为什么 T 不会降到零？答：随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随之增加， 在与氩原子相碰撞后还留下足够的能量， 可以克服反向拒斥电场到达板极，这时电流又开始上升，不致下降到零。3. 为什么 I 的下降不是陡然的？答：因为 K 极发出的热电子能量时服从麦克斯韦统计分布规律，因此极电流下降不是陡然的。4. 在 F-H 实验中，得到的 I-U 曲线为什么呈周期性变化？答：当 G2k 间的电压达到氩原子的第一激发电位U0 时电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞， 将自己从加速电场中获得的全部能量给了氩原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被驳回第二栅极，所以，板极电流讲显著减小。随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随之增加， 在与氩原子想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 ，这时电流又开始上升，直到 G2K 间的电压是二倍的第一激发电位时，电子在UG2k 间又会因第二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降，同理，凡UG2k之间电压满足： UG2k=nU0(n=1,2,3.)时，板极电流 IA 都会相应下跌，形成规则起伏变化的 I-U 曲线。-可编辑 -精品5. 在 F-H 管的 I-U 曲线上的第一个峰