弗兰克—赫兹试验

1、实验报告评分：管理学院16系09级学号PB09204073姓名梁永翔日期2010-10-26实验题目：弗兰克赫兹（FH）实验实验原理：1跃迁原理根据波尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一个定态相应一定的能量常称为能级，其数值彼此分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子。然而，原子若与一定能量的电子发生碰撞，也可以使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克赫兹实验正是利用电子和原12子的碰撞来实现这种跃迁。通过控制加速电压U,来控制电子的动能一mV,当eUJmV2EnEmmV2式中Em,En表示碰撞前后能级的能量，V,V指碰撞前后电子的速度。如果m0,n1,跃迁到第一激发态；如果2

2、n，跃迁到较高激发态；如果n,此时原子被电离。2汞原子的能级结构本FH实验使用的碰撞管是充汞的，因为汞是单原子分子，能级较为简单。汞原子是由原子核和核外80个电子组成的，在满的支壳外有两个价电子，在正常情况下，这两个电子都处于6s态，所以它的基态组态为6s2及基态的LS组态为1Soo处于激发态时，一个6s电子可能被激发到较高的61Pi,63P012,61D1,63D123,61F1,63E34,71S。等能量状态，甚至电离，而另一个电子仍留在6s态，具体能级如图1所示。且汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸汽压很低，加热就可改变它的饱和蒸汽压，汞的原子量较大与电子作弹性碰撞时，电子损失

3、的能量极小，且电正性的汞也不容易和电子亲和而形成负离子，可以用来研究电子和原子碰撞的规律。fSVI)'F勺V'nFHI兴艮下融融"良3充汞的夫兰克赫兹管的内部原理充汞的夫兰克赫兹管如图2所示。电子由热阴极发出，在整个实验过程中，阴极K和第一栅极G之间为加速区，第一栅极G和第二栅极G为碰撞区（测第一激发电位同时也是加速区），第二栅极G和极板A为反向区。管内的总体电位如图3所示。当电子通过KG空间进入GK空间时，如果有较大的能量（eV反）时，就能冲向反向拒斥电压而达到极板形成电流，为微流计uA表测出，如果电子在碰撞区与汞原子碰撞，把自己的一部分能量传给汞原子，而使汞原子激

4、发，这样电子本身所剩的能量就减小，以至于通过第二栅极后不足于克服拒斥电场而被斥回到第二栅极，这时微流计uA表的电流将显著减小，由汞原子的能级特点决定电流呈规律性的变化。国2】卜】砺壮为-搔成营SJ夫丝克独合内电位分寿4测汞的第一激发态电位的原理实验报告评分：管理学院16系09级学号PB09204073姓名梁永翔日期2010-10-26测汞的第一激发态电位的电路图如图4所示，第一栅极G的作用主要是消除空间电荷对阴极发射电子的影响。图5所示的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，电子的能量较

5、少，即使在运动过程中它与原子相碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）。穿过第二栅极的电子所形成的板极电流|将随第二栅极电A压UG2K的增加而增大（如图5的Oa段）。当GK间的电压达到汞原子的第一激发电位U0时，电子在第二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。而电子本身由于把全部能量给了汞原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回第二栅极（被筛选掉）。所以板极电流将显著减小（图5所示ab段）。随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随之增加，在与汞原子相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

6、始上升（bc段）。直到G2K间电压是二倍汞原子的第一激发电位时，电子在GK间又会因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（cd段），同理，凡GK之间电压满足：Ug2KnU0（n1,2,3,）时板极电流1A都会相应下跌，形成规则起伏变化的1AUG2K曲线。而各次板极电流1A达到峰值时相对应的加速电压差Un1Un，即两相邻峰值之间的加速电压差值就是汞原子的第一激发电位值U00图4u量耒原子第一激发电位的电路5测汞的较高激发态电位的原理4.9eV的能量。所以它只能用于测量汞原子的第一激发能。如何在管中实现较高能在测汞的第一激发态电位的实验中，电子一般很难达到超过级的激发呢？首先要获得较

7、高能量的电子，其次要提高电子在碰撞区内与原子碰撞的几率。在加速区中，由于路径短，能有较多的电子不与汞原子发生碰撞，这样电子进入碰撞区时能有高于4.9eV的能量。为了提高电子在碰撞区内与原子碰撞的几率，在设计时，使第一栅极G与第二栅极G的间距大于电子的平均自由程，实验时，把它们连在一起，形成一个等势区。图6给出测量的电路图，等势区内的电场梯度为碰撞区的补偿电位。由此电路图所得的碰撞的能量交换的曲线如图7所示。碰撞和能量交换过程，以及板极电流的形成与第一激发态的过程相似，只是图中显示有多个峰和谷，且大小不一，间距不等，这与第一激发态的规律不同。这是因为这些峰，可能是较高能量的电子与汞原子碰撞，直接

8、把汞原子激发到较高激发态产生的，或者可能是多个能级所产生的峰的叠加，以及各个能级的稳定度不同，及碰撞几率不等等产生的。B用海量柔层孑里后谢堂电值前电蔼国T较合热度毫工曲蟆实验内容：1. 熟悉实验装置，掌握实验条件;2. 测量汞的第一激发电位；3. 测量瀛的第一激发电位；实验报告评分：管理学院16系09级学号PB09204073姓名梁永翔日期2010-10-26实验仪器和步骤:1实验仪器本实验所用仪器有：FH1型充汞夫兰克一赫兹管，FHH1型控制加热炉，FHH1型微电流放大器和扫描电源，FH1型电源组。2实验步骤(1)打开控温仪电流开关，旋转控温旋钮，设定实验所需的温度。打开FH1型微电流放大器

9、和扫描电源，FH1型电源组开关预热。(2)用导线将各仪器按电路图正确连接起来。(3)将Vf和“手动调节”电位器旋转到最小，扫描选择置“手动”档，极性选择置“负”档。(4)待炉温达到预热温度后(以温度盘指针为准),接通两台仪器的电源，按实验所需的参考电压数据，分别调节好Vh、Vs、V扫描选择置“自动”档，定性观察板流的变化。(5)扫描选择置“手动”档，缓慢调节“手动调节”电位器，从0至适当值(须小于70M)逐渐增大加速电压Vsk,定性观察板流的变化，粗测“峰”、“谷”的位置，注意选择微电流测试仪的量程和倍率(X107或X10-8),使板流最大值不超过量程。(6)在粗测调整适宜的基础上，从Vg2K

10、最小开始逐点记录Vg2K和|A值，在电流变化较大时，应增加测量点。(7)根据实验所需，按照不同灯丝电压或温度数据，以及不同的实验内容重复1-6步骤。(8)用逐差法算出汞原子第一激发电位，和从数据中找出较高激发电位和电离电位，并与公认值相比较，算出测量相对误差和不确定度范围。以I为纵坐标，V52K(或2)为横坐标，画出不同温度和不同灯丝电压下的I-VG2K(或I-VG2)曲线，并分析讨论这些物理参数对实验曲线的影响。实验数据:1 .汞的测量数据:u/v11升/10-811AI-8降/100.50.00.01.00.10.01.50.10.02.00.10.12.50.20.03.00.20.13

11、.50.40.14.00.40.24.50.40.45.00.60.85.51.00.96.01.21.16.51.41.27.01.11.07.50.90.58.01.00.88.51.21.09.01.51.59.51.82.010.02.02.510.52.23.011.02.84.011.52.94.112.01.62.112.51.41.013.02.11.513.52.82.11A实验报告评分:姓名梁永翔日期2010-10-26管理学院16系09级学号PB0920407314.03.93.114.54.84.515.05.96.015.56.47.116.07.28.116.56.

12、88.117.03.44.517.53.12.318.03.92.718.55.04.019.06.15.919.57.27.320.08.29.120.58.710.621.09.211.921.58.511.122.05.57.822.54.75.023.05.14.923.56.36.024.08.28.024.59.59.625.010.811.525.511.514.026.011.915.926.510.715.827.08.712.127.56.88.928.06.47.228.57.58.129.09.110.029.510.912.030.012.815.030.514.31

13、8.131.015.220.031.514.220.032.011.917.032.59.213.033.08.510.833.59.110.834.010.512.234.512.215.035.014.617.6实验报告评分:管理学院16系09级学号PB09204073姓名梁永翔日期2010-10-2635.517.218.136.018.219.736.517.620.137.015.618.837.513.116.038.011.613.138.511.512.539.012.513.139.514.515.140.017.218.240.519.821.241.021.021.641

14、.521.222.542.020.222.042.518.420.143.016.618.843.515.917.844.016.518.144.518.719.245.020.520.52 .瀛的测量数据:U/10VI/10nA0.500.321.000.331.500.322.000.322.500.323.000.323.500.324.000.324.500.325.000.325.500.326.000.326.500.327.000.327.500.328.000.328.500.329.000.329.500.3210.000.3210.500.32验报告评分：管理学院16系09

15、级学号PB09204073姓名梁永翔日期2010-10-2611.000.3311.500.3412.000.3812.500.4213.000.4613.500.5014.000.5614.500.6015.000.6515.500.6216.000.6716.500.7117.000.7417.500.7718.000.7918.500.8019.000.8119.500.8120.000.8020.500.7921.000.7621.500.7422.000.7022.500.6723.000.6423.500.6324.000.6624.500.7625.000.8525.501.01

16、26.001.1426.501.2527.001.3827.501.4428.001.5428.501.6129.001.6229.501.6130.001.5630.501.4731.001.3631.501.2332.001.08验报告评分：管理学院16系09级学号PB09204073姓名梁永翔日期2010-10-2632.500.9533.000.8033.500.6834.000.6234.500.6435.000.7535.501.0136.001.2436.501.5337.001.6537.501.9338.002.2738.502.5239.002.6139.502.7040.

17、002.7140.502.6041.002.4541.502.2442.002.0042.501.7143.001.4043.501.0644.000.8044.500.5745.000.4745.500.7846.001.0646.501.3247.001.7047.502.1148.002.3848.502.7149.003.0749.503.3750.003.6050.503.6851.003.7551.503.7352.003.6252.503.3453.003.0253.502.60验报告评分：管理学院16系09级学号PB09204073姓名梁永翔日期2010-10-2654.002

18、.1554.501.6955.001.2255.500.8656.000.6156.500.6057.000.7857.501.1158.001.5358.501.9159.002.3859.502.9360.003.3360.503.4561.004.0061.504.3262.004.5062.504.5963.004.6363.504.5664.004.3664.504.0565.003.6765.503.1966.002.6666.502.0567.001.5667.501.1568.000.9268.500.9469.001.1669.501.4570.001.9470.502.42

19、71.002.9171.503.4272.003.9072.504.3273.004.7373.505.0974.005.4074.505.4575.005.50验报告评分：管理学院16系09级学号PB09204073姓名梁永翔日期2010-10-2675.505.4276.005.2876.505.0677.004.7177.504.0978.003.7278.503.1379.002.6479.502.1180.001.8080.501.7681.001.8581.502.1182.002.4582.502.9583.003.4883.503.9184.004.4384.504.7585.005.2885.505.5686.005.9186.506.1187.006.2987.506.3288.006.2988.506.1689.005.9189.505.6190.005.25数据处理:1.汞的激发电位由数据在EXCEL中制图如下:V评分:汞的片一%曲线读图得各峰值的X坐标为:2.瀛的激发电位僦的-v&2曲线读图得各峰值的X坐标为:管理学院16系