赫兹实验报告

惠州学院近代物理实验报告电子科学系09物理2班 实验日期2012年11月15日姓名 学号 同组姓名 指导老师宋晋湘实验名称：弗兰克赫兹实验实验目的：通过测定亚原子等元素的第一集发典韦，证明原子能级的存在。实验原理1、电子和气态汞原子碰撞利用电子和气态汞原子的碰撞最容易实现弗兰克赫兹实验。原子从低能级en向高能级em跃迁可以通过具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。若与原子碰撞的电子是在电势差v的加速下，速度由0到v，则1?e?em?en?ev?mv22当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的v称为第一激发电位，如果电子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的v称为该原子的电离电位。2、实验装置实验原理图：电子碰撞在f-h管内进行。真空管内充以不同的元素就可以测出相应元素的第一激发电位。f-h四极管包括电极灯丝f，氧化物阴极k，两个栅极g1和g2和一个屏极a，阴极k照在灯丝f夕卜，又灯丝f的电压可控制k发射电子的强度，靠近阴极k的实第一栅极，在g1和k之间加有一个小正电压vg1k，第二栅极远离g1而靠近屏极a，g2和a之间加一小的遏止负电压vg2a.f-h管内充有hg时，vg2k和屏流ip满足：3ip?cexp{vg2k}2充hg的f-h管被加热式hg气化后，ip-vg2k曲线发生变化，如图所示当vg2k=4.9nv(n=1,2,3…)时，图线上都将出现一个峰值，原因是每到一个4.9v电子与汞原子发生了非弹性碰撞，电子将能量全部转移给汞原子，失去能量的电子不能到达屏极。实验步骤及内容一、 测hg的第一激发电位1、 将装置温度调整到一定值，然后将vf,vp,vg调制标定值vf=1.3vvg1k=2.5vvg2p=1.5vt=157°C2、 测量vg2k-ip曲线，先将vg2k跳至(调至)最小，之后每增大0.5v记录一次ip的数据，直到测出6到8个峰二、 测ar的第一激发电位1、接线2、扫描开关调至“自动”挡，速度开关调至“快进(快速)”3、调整示波器“ch1”“ch2”的位置4、调节vg1,vp,vf的位置至给定值5、开始测量，从零开始，vg2k每隔0.05v记录一次ip值直到最大vg2k实际值：示数x10，ip实际值：示数x10(na)测量数据及分析1、汞ip/ua20151050051015202530354045hg的ip-vg2k图像各峰值之间的vg2k之差为6v1=11.41-6.92=4.49v6v2=16.15-11.41=4.74v6v3=20.78-16.15=4.63v 6 v4=25.61-20.78=4.83v 6 v5=30.50-25.61=4.89v 6v6=35.41-30.50=4.91v6v7=40.30-35.41=4.89v故汞的第一激发电位为v?4.49?4.74?4.63?4.83?4.89?4.91?4.89?4.76v7ar的ip-vg2k数据12010080604020a各峰值之间的差为6v1=29.12-19.16=9.96v6v2=40.46-29.12=11.34v6v3=52.09-40.46=11.63v6v4=63.92-52.09=11.83v6v5=76.33-63.92=12.41v6v6=89.28-76.33=12.95var的ip-vg2k图像故ar的第一激发电位为v?9.96?11.34?11.63?11.86?12.41?12.95?11.69v6思考题当f-h管温度较低时，由于电子平均自由程大，电子有机会使积蓄的能量超过4.9ev，从而使原子向高激发态跃迁的概率增加，这样图像上ip会对应出现高激发态的峰值，曲线的峰间距变长，峰值增大。当温度较高时，则会出现相反效果。实验心得当用示波器测量ar的第一激发电位时，要注意调整发射电子的强度，不能在最高处出篇二：弗兰克-赫兹实验报告大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验实验题目：弗兰克赫兹实验实验器材：f-h实验管、恒温加热电炉、f-h实验装置、示波器。实验内容：1.熟悉实验装置，掌握实验条件。该实验装置由f-h管、恒温加热电炉及f-h实验装置构成，其装置结构如下图所示：f-v管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。一般温度在100oc至250oc。并且由于hg对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。灯丝电压控制着阴极k发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个峰的位置，是一个关键的条件。测量hg的第一激发电位。1） 起动恒温控制器，加热地f-h管，使炉温稳定在157oc，并选择合适的灯丝电压，vg1k=2.5v，vg2p=1.5v，vf=1.3v。2） 改变vg2k的值，并记录下对应的ip值上（每隔0.2v记录一个数据）。3） 作数据处理，作出对应的ip-vg2k图，并求出hg的第一激发电位（用逐差法）。测ar原子的第一激发电位。1） 调节好相关的数据：vp=8.36v，vg1=1.62v，vg2k=0~100v，vf=2.64v；2） 将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的ip-vg2k图，是否符合实验要求（有六个以上的波峰）。再将相关档位调到手动档位。3） 手动改变vg2k的值，并记录下对应的ip值上（每隔0.05v记录一个数据）。4） 作数据处理，作出对应的ip-vg2k图，并求出hg的第一激发电位（用逐差法）。得出结论。原始数据：vf=1.3vvg1k=2.5vvg2p=1.5vt=157oc求汞原子的第一激发电位的数据表vp=8.36vvg1=1.62vvg2k=0~100v vf=2.64v求ar原子的第一激发电位的数据表数据处理：求hg原子的第一激发电位。将在实验中记录下的数据，以点的形式描在x-y坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图形为：得到的七个峰值（ip），对应的ug2k依次为：u1=7.0v,u2=11.6v,u3=16.0v,u4=21.0v,u5=25.8v,u6=30.6v,u7=35.6v.设ux为hg的第一激发电位，则有下列式子（逐差法）：4*ux1=u5-u1=25.8v-7.0v=18.8v, ux1=4.7v;4*ux2=u6-u2=30.6v-11.6v=19.0v, ux2=4.8v;4*ux3=u7-u3=35.6v-16.0v=19.6v, ux3=4.9v则==4.8v.不确定度分析：ua=u0.68=1.32*ua=1.32*0.06v=0.08v.篇三：弗兰克赫兹实验报告弗兰克赫兹实验实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化（勒纳则观察碰撞后离子流的情况）。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。一、 实验目的通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。2.学习测量微电流的方法。二、 实验原理（一） 原子能级根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。然而，原子若与具有一定能量的电子发生碰撞，也可使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克一赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞实现这种跃迁的。电子在加速电压u的作用下获得能量，表现为电子的动能mv/2，当eu?mv2/2?en?em时，即可实现跃迁。若原子吸收能量eu0。从基态跃迁到第一激发态，则称u0为第一激发电位或中肯电位。汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个6s电子组成的1s0，较近的激发态为由一个6s电子和一个6p的电子构3333成的1p单能级和，和组成的三能级。只有pppp12101为允许自发跃1迁态：3p1?s0,发出波长为253.7nm的紫外光，对应能量为231因pu0?4.9ev。3p2和3p0为亚稳态，1?s0的跃迁属于禁戒跃迁，所以通常把3p1态称为汞的第一激发态。（二） 原理说明实验原理图如图2和图3所示，充汞的夫兰克-赫兹管，其阴极k被灯丝h加热，发射电子。电子在k和栅极g之间被加速电压ukg加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极a之间加反向拒斥电压uga，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流ia。以下是根据实验得出的ia?ugk曲线示意图，每当ugk?nu0时ia都会下降，曲线上两个相邻的峰（谷）的ugk间距即为原子第一激发电位。三、 实验仪器f—h实验管，wmzk—01温度控制仪，电脑化x—y记录仪，fh—ii型夫兰克一赫兹实验仪四、 实验数据与结论（一）标准系统参数：灯丝电压ugk?1.5v；加速电压ug1k?2.0v；反向拒斥电压ug2p?3.0v；温度t?180c2006001.5v500400100ia300020000400006000080000100000ugk图5利用origin拾取峰值后得到如下数据（表1），并线性拟合如图6：90000linearregressionforugk=1.5v80000700006000050000ugk40000300002000010000246810121416linearregressionforsheet1_b:y=a+b*xparametervalueerror a2454.90705182.56756b5127.8344120.07975 n表1 图6从图中可以读出本次试验标准参数下的原子第一激发点位（及曲线斜率）uo?5.1278v。（二）改变温度，研究温度对曲线的影响：灯丝电压ugk?1.5v；加速电压ug1k?2.0v；反向拒斥电压ug2p?3.0v分别测t?170c，t?190c，t?200c下的数据与上述t?180c数据对比。用类似的处理方法，有以下数据（表2）：表2通过比较有：（1） hg原子的第一激发电位在5.1v左右；（2） 实验中第一峰值并不在4.9v处，而是沿ugk轴向右平移；（3）随着温度的升高，第一激发电位有小幅下降，直观图形如图7。分析：对于（2），这是由于系统接触电位差引起的；对于（3），温度的改变引起hg蒸气饱和气压的改变，即汞蒸气的密度变化，从而导致电子的平均自由程改变。温度升高时，较短，电子由加速电场获得的能量小，因而电子在两次碰撞之间得到足够的能量去激发hg原子到较高能级的机会较小，而激发到低能级的可能性大。电子平均自由程增大，从而使电子与汞原子的碰撞趋于更频繁，使本底电流减小，曲线的峰数增多，第一激发电位减小。14001300120011001000900800700600ia5004003002001000-100-200ugk图7（二）改变灯丝电压，研究其对实验的影响（定性）：加速电压ug1k?2.0v；反向拒斥电压ug2p?3.0v；温度t?180c分别测ugk?1.0v,ugk?1.2v,ugk?1.4v,ugk?1.5v,ugk?1.6v,ugk?1.8v情况下的实验数据，运用类似于（一）和（二）中的处理方法，将各种情况下的峰值（ugk）分列如下，并线性拟合求得斜率（原子第一激发电位）以及作出ia?ugk对比图：表 3篇四：弗兰克赫兹实验报告弗兰克-赫兹实验【摘要】弗兰克-赫兹实验通过改变加速电场的电压控制电子的能量，并以电子撞击汞原子。观察通过的电流来判断原子对电子能量吸收了多少。并根据电子能量与通过电流的关系证明原子能级的存在。【关键词】能级跃迁、第一激发能、平均自由程【正文】玻尔的原子理论玻尔从研究氢原子出发，提出关于原子的两个基本假设：（1） 原子的量子化定态。原子只能处在某一些不连续的稳定状态（定态），每一状态对应一定的能量，能量数值是彼此分隔的。原子在这些状态时，不发射也不吸收能量。原子的能量不论通过什么方式改变，它只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。（2） 辐射的频率法则。原子从一个定态跃迁另一个定态而发射或吸收辐射能量时，辐射的频率是一定的。当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能级跃迁到高能级（激发）。如果是基态和第一激发态之间的跃迁，则有：ev1?1/2mev2?e1?e2电子与原子碰撞时的能量转移电子与原子的相互作用通常有亲和、弹性碰撞与非弹性碰撞几种形式，亲和即指电子进入原子的作用势区、被原子捕获而形成负离子，但这种现象一般出现在亲和势较大的负性原子，如氧、氯等，对汞或其他金属、惰性气体等电正性的原子，这种现象一般不会出现。初速为零的电子通过电位差为v的加速电场，则获得的能量为ev，与稀薄气体的原子（如汞或氖原子）发生碰撞时，会发生三种情况：（1） 当电子运动速度很低时，与原子的碰撞是弹性碰撞，原子内部的能量不发生变化。（2） 当电子所受的加速电位差加大，使它的动能增加到一定的临界值时，才能发生非弹性碰撞，电子的能量可以完全转移到原子内部，使原子内部的能量产生一个突然的跃变，原子的能量的增量等于电子损失的能量。若以e0代表原子基态的能量，以e1代表原子第一激发态的能量，则ev1?e0?e1即碰撞后原子会从基态跃迁到第一激发态，这时的1v称为该原子的第一激发电位。（3） 当加速电位差继续加大，使ev1?e0?e1，电子和原子仍发生弹性碰撞，但原子吸收的能量仍是e1?e0，碰撞后电子还具有部分动能e=ev1?（e1?e0）。当加速电位差加大到ev?2（e1?e0）时，情况又和（2）一样，电子在和原子的第二次碰撞中将能量全部交给原子，其余类推。实验的物理过程f-h实验通常使用的碰撞管是充汞的。因为汞是单原子分子，能级较简单。汞是一种易操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸汽压很低，加热就可以改变它的饱和蒸汽压。汞的原子量较大，和电子碰撞时几乎不损失动能。汞的第一激发能级较低一-.9ev，实验中只需几十伏电压就能观察到多个峰值。实验采用四极式f-h碰撞管，实验线路如图2-1。图2-1夫兰克一赫兹实验原理图其中，vf为灯丝加热电压；vglk为正向小电压，可以克服电子在k-g1之间的堆积现象；vg2k为加速电压，g1?g2为加速区、碰撞区，vg2k使电子与汞原子的碰撞机会大大增加。vg2p为反向电压，能阻止电子通过g2到达p极。这样就能区别碰撞与未碰撞电子，因为，发生非弹性碰撞的电子无法克服vg2p的作用穿过g2到达p极。图2-2夫兰克一赫兹实验管中的电位分布图f-h管中的电位分布如图2-2所示，电子由热阴极发射，经电场vg2k加速趋向阳极，只要电子能量达到可以克服减速电场vg2p就能穿越栅极g2到达极p形成电子流ip。电子在前进途中要与原子发生碰撞。如果电子能量小于第一激发能1ev，碰撞是弹性的，电子损失的能量极小，能如期到达阳极；如果电子能量达到或超过1ev，电子与原子发生非弹性碰撞，电子把能量1ev传给气体原子。要是非弹性碰撞发生在g2栅附近，损失了能量的电子将无法克服减速场vg2p到达p极。这样，穿过栅极的电子所形成的电子流ip将随vg2k的增大而增大。如果加速到2g栅极的电子获得等于或大于1ev的能量出现非弹性碰撞，则发生ip的第一次下降。随着vg2k的增加，电子与原子发生非弹性碰撞的区域向阴极方向移动，经碰撞损失能量的电子在趋向阳极途中又得到加速，开始有足够的能量克服vg2p减速电压到达p极，ip又ip开始增加。而如果kgv的增加使那些经过非弹性碰撞的电子能量又达到ev，则电子又将与原子发生非弹性碰撞，造成ip又一次下降。在vg2k较高的情况下，电子在趋向阳极途中将与原子发生多次非弹性碰撞。每当vg2k造成的最后一次非弹性碰撞区落在g2栅附近，就会使ip—vg2k曲线出现下降。如此反复将出现如图2-3的曲线。ip—vgk曲线是有规律地起伏变化的。每相邻二个阳极电流ip峰值所对应的vg22k之差都等于汞原子的第一激发电位v1。图2-3夫兰克一赫兹实验得到的ip—vg2k曲线从实验曲线可见，阳极电流ip到达峰值以后的下降并不是完全突变的，波峰部会有一定的宽度，这主要是由于从阴极发出的电子其能量服从一定的统计分布规律。同时，即使在vg2k=nv0的条件下，波谷底的ip也不会等于零，这是由于电子与原子碰撞有一定的兀率，当大部分电子恰好在栅极前使汞原子激发而损失能量时，总会有一些电子未经碰撞而穿过栅极到达阳极。而且曲线第一峰位位置值与第一激发电位有偏差。这是因为f—h管阴极和栅极往往是用不同金属材料制作，会产生接触电势差。真正加在电子上的加速电压不等于vg2k，而是vg2k与接触电势差的代数和，这将影响实验曲线第一峰的位置。电子的平均自由程由气体分子运动论，电子在气体中的平均自由程为e?1kt （2-1） ?22?rn?rp式中n为单位体积内的气体原子数，k为玻耳兹曼常数，r为气体原子的有效半径（标准状态下，p为气体压强，t为绝对温度。在f-h管中一般充有过量的汞，在实验温度变化范围内，液态汞总是存在的，所以这里的p就是汞的饱和蒸汽压。因为随着温度的升高，p值急剧上升，所以e也将随之迅速减小。在过高的温度下，电子与汞原子的碰撞次数大大增加，虽然电子与汞原子弹性碰撞一次所损失的能量十分微弱，但在整个加速过程中弹性碰撞所损失的能量却是相当可观的。在过低温度下，电子的平均自由程较长，与汞原子发生碰撞的几率很小，在每个自由程间隔中电子从电场中所获取的能量较大，当电子所积聚的能量比4.9ev大得多时，汞原子的第一激发态的激发几率明显下降，且有可能将汞原子激发到更高能级，甚至电离。上述两种情况都不利于汞原子第一激发电势的测量。事实上，从量子力学的观点来看，电子与原子间的弹性碰撞，实际上是电子波在原子势场中的散射。电子的平均自由程不仅与温度和压强有关，还与入射电子的速度（即电子能量）以及原子对电子的作用势场有关。在汞蒸气中，能量为4.9ev左右的电子，其e约为（2-1）式的计算值的1/7。汞原子的能级跃迁汞原子是由原子核和核外80个电子组成，最外层为两个电子，决定了原子能量状态。如图2-4所示：图2-4 汞原子能级跃迁图汞原子具有两套能级，一套为单一态，另一套为三重态，单一态和三重态能级间的虚线连线表示互组合禁戒跃迁。若两个电子都处于6s状态，则为基态6s6ss0，若一个价电子处于6s态，另一个处于6p态，则构成了汞原子的最低激发态即三重态6s6p3p2,1,0。当电子与汞原子发生非弹性碰撞而发生能量交换时，其能级跃迁不受选择定则限制，可以从基态分别跃迁到6s6pp2、6s6pp0。 1、6s6pp根据ls耦合跃迁选择定则，单一态和三重态能级之间无跃迁情况，即Zs=0。但对一些重元素的激发态，由于被激发的电子远离其它电子，ls耦合减弱。^su。这一条件就变得不3331十分严格，这时就有可能出现互组合禁戒跃迁，且其谱线的数目和强度随着原子序数的增加而增加，本实验中6s6pp1-6s6ss0就是其中典型的一例。但是在互组合禁戒跃迁中，条件△j=0，±1（0-0除外）依然成立，所以p2、p0这两能级都不能自动跃迁到基态，而处于亚稳态能级，即没有外界条件下，被激发到p2、p0能级上的汞原子不能以电磁辐射的形式回到基态6s6ss0。而6s6pp1-6s6ss0由于附合跃迁条件，处于p1上的汞原子很快就以辐射跃迁的形式自动回到基态。因此在实验中所测得的第一激发电势（即4.9v）所对应的是p1-s0能级间的跃迁。由公式算得：311313333313hc6.63?10?34?3.00?108????253.7nm?19ev1.6?10?1.9这恰好与汞原子光谱中波长253.7nm这一谱线相吻合。进一步验证了上述推论的正确。二、 实验内容及步骤在180^炉温下，测定夫兰克一赫兹实验管的ip—vg2k曲线，观察原子能量量子化情况，并求出充气管中原子的第一激发电位。1） 连接线路。2） 打开加热器，将炉温设置成180摄氏度，等待炉温上升至指定温度。3） 打开弗兰克-赫兹实验仪。4） 将vg1k、vg2k、vg2p调节至合适值。5） 按下自动扫描按钮，观察ip变化情况，若ip出现周期性波动且示数明显则表示vg1k、vg2k、vg2p数值合适，反之则重复4、5步骤直至符合要求。6） 切换至手动调节档，手动调节vg2k并每隔0.5v记录对应的ip值。在低温条件下（140~150°C），测定一条夫兰克一赫兹实验管的ip—vg2k曲线，比较两条曲线，找出其规律性的变化，并分析讨论。接着以上实验步骤：1） 将炉温设置成150摄氏度，等待炉温下降至指定温度。2） 同上述步骤4、5、6。三、 实验数据及处理uf?1.6v 、 vg1k=2v vg2p=1v篇五：弗兰克-赫兹实验实验报告弗兰克-赫兹实验一实验目的通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。二实验原理1激发电势玻尔的原子能级理论（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。（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hv?em?en （1）原子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。设初速度为零的电子在电势差为u的加速电场作用下，获得的能量为eu，当具有这种能量的电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el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eu0?e2?e1 （2）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）。夫兰克-核子实验原理如图1示。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空间进入ga空间时，如果有较大的能量（Neuag），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。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，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ugk?nu0（n=1，2，3， ） （3）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um?1?um应该是汞原子的第一激发电势。三实验仪