弗蘭克赫茲實驗_論文.doc

弗蘭克赫茲實驗 第一激發(fā)電勢的測定論文學(xué)校：寧夏大學(xué) 學(xué)院：-專業(yè)：-學(xué)號：-姓名：-指導(dǎo)老師：- 時間:2013年12月18日弗蘭克赫茲實驗摘要：本實驗通過改變燈絲電壓，觀察H-F曲線得變化情況，得到定性得結(jié)論。通過自己得觀察和理解分析，激發(fā)對科學(xué)實驗的興趣，啟發(fā)創(chuàng)新思想。同時也更深入的理解了本實驗的內(nèi)涵。關(guān)鍵詞：弗蘭克 赫茲 氬第一激發(fā)態(tài) 近代物理實驗1 引言 1913 年丹麥物理學(xué)家玻爾（NBohr）提出并建立了玻爾原子模型理論，認(rèn) 為有原子能級存在。光譜學(xué)的研究證明了原子能級的存在，原子光譜中的每根譜線都相應(yīng)表示了原子從某一較高能態(tài)向另一較低能態(tài)躍遷時的輻射。然而，原子能級的存在除了可由光譜研究推得外，1914 年德國物理學(xué)家夫蘭克和赫茲用慢電子與稀薄氣體原子碰撞的方法，使原子從低能級激發(fā)到高能級。通過測量電子和原子碰撞時交換某一定值的能量，觀察測量到了氬的激發(fā)電位和電離電位，直接證明了原子內(nèi)部量子化能級的存在，也證明了原子發(fā)生躍遷時吸收和發(fā)射能量是完全正確的、不連續(xù)的，為早一年玻爾發(fā)表的原子結(jié)構(gòu)理論的假說提供了有力的實驗證據(jù)。他們因此而分享了1925 年諾貝爾物理學(xué)獎。其實驗方法至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一。玻爾因其原子模型理論獲 1922 年諾貝爾物理學(xué)獎，而夫蘭克與赫茲的實驗也于 1925年獲此大獎。夫蘭克-赫茲實驗與玻爾原子理論在物理學(xué)的發(fā)展史中起到了重要的作用。2 試驗原理（1）、玻爾原子理論 原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（稱為定態(tài)）。這些定態(tài)的能量（稱為能級）是不連續(xù)分布的，其中能級最低的狀態(tài)稱為基態(tài)。原子在兩個定態(tài)之間發(fā)生躍遷時，要吸收或發(fā)射一定的能量，該能量等于兩個定態(tài)之間的能量差E=E2-E1 當(dāng)電子與原子發(fā)生碰撞時，碰撞前后整體能量保持恒定： 12mv2+12MV2=12mv2+12MV2+E其中，m、M分別為電子、原子的質(zhì)量，v、v分別為電子碰撞前、后的速度，V、V分別為原子碰撞前后的速度。E為原子內(nèi)能的變化通常，電子的能量通過在靜電場中的加速獲得，即12mv2=eU原子的動能（熱運動）由溫度決定。由于mM，碰撞前后原子的動能幾乎不發(fā)生改變。因此，電子動能的變化直接反映了原子內(nèi)能的變化。使原子從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)所需的對靜電子的最低加速電壓，稱為原子的第一激發(fā)電位。（2）夫蘭克-赫茲實驗的物理過程圖1 夫蘭克-赫茲實驗原理圖 圖中左側(cè)為夫蘭克-赫茲管（F-H管），它是一種密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量較大的氬或惰性氣體原子。在這里燈絲用來對陰極K加熱，使其發(fā)射熱 電子。燈絲電壓Ur越高，陰極K發(fā)射的電子流也就越大。第一柵極G1的主要作用是消除空間電荷對陰極電子發(fā)射的影響。柵極G1和陰極K之間的電壓通常只有幾伏。第二柵極G2的作用是在G2和K之間形成對電子加速的靜電場。由陰極K發(fā)射的絕大多數(shù)熱電子被柵極G1和G2所接收，并且其中被柵極G2接收的比例隨加速電壓UG2K的升高而增大。少量的發(fā)射電子穿過柵極G2達(dá)到極板P，形成板流IP。板流IP的大小由微電流測試儀進(jìn)行測量。在板極P和G2之間加有一反向拒斥電壓UG2P，它對電子減速，使經(jīng)過碰撞后動能非常低的電子折回并被柵極G2接受，從而起到調(diào)節(jié)板流IP大小的作用。 設(shè)氬原子的基態(tài)能量為E1，第一激發(fā)態(tài)能量為E2，且由熱陰極發(fā)射的電子初速度為零。受加速電場U2作用，電子到達(dá)柵極G2時所獲得的能量為E=eU2 ，具有這種能量的電子與氬原子發(fā)生碰撞。當(dāng)U2較低時，電子能量eU2小于原子的激發(fā)能（即eU2eUG2P時，電子又能到達(dá)板極，使板流IP回升。當(dāng)U2增大到2U0時，電子經(jīng)第一次非彈性碰撞后的剩余能量足以使其與氬原子產(chǎn)生第二次非彈性碰撞，氬原子再次從電子中取得能量，能量交換的結(jié)果使IP再次下降。同理可知，U2繼續(xù)增大時，電子會在第二柵極G2附近與氬原子發(fā)生第三次、第四次、非彈性碰撞，引起板流IP的相應(yīng)下跌?？梢姡S著加速電壓U2的增加，板流IP會周期性地出現(xiàn)極大值和極小值，凡滿足加速電壓U2=nU0（n=1,2,3,）時，板流IP都會相應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏的IP-U2特性曲線。曲線各峰值之間的等間隔規(guī)律表明：碰撞過程中電子有確定的能量傳遞給氬原子，而與相鄰的兩板流極大值（或極小值）所對應(yīng)的加速電壓的差值就是氬原子的第一激發(fā)電位U0 。它的公認(rèn)值為4.9V。 圖2 充氬F-H管的Ip-U2特性曲線 由圖2的IP-U2特性曲線可見，板流IP并不是突然下降的，其峰線有一定寬度。這是因為熱陰極所發(fā)射的電子具有初速，電子的初始能量不完全相同，服從一定的統(tǒng)計分布規(guī)律，同時電子與原子的碰撞有一定的幾率，在大部分電子與氬原子碰撞而損失能量的時候，還會有部分電子不發(fā)生碰撞而到達(dá)板極。電子的能量越大，碰撞的幾率越小，因此，IP-U2特性曲線上各電流極小值會隨加速電壓U2的增大而增大。 實際測量中，由于F-H管的柵極與陰極的材料不同，會產(chǎn)生接觸電位差Va，這會使F-H曲線沿電壓軸平移。Va的大小和極性，取決于兩種金屬材料的逸出功之差： Va=(WG-Wk)/e 。 處于激發(fā)態(tài)的氬原子是不穩(wěn)定的，當(dāng)它跳回基態(tài)時，將以光量子的形式釋放出能量eU0，相應(yīng)的光輻射波長為253.7nm（由eU0= h v及 /c=計算）?？捎米贤夤庾V儀進(jìn)行觀測。 1914年夫蘭克和赫茲所用的是一支充氬的三極管，只有陰極、加速柵極和板極。1920夫蘭克對原裝置作了改進(jìn)，使電子在加速區(qū)內(nèi)獲得高于4.9eV的能量，可測得氬原子的一系列量子態(tài)，進(jìn)一步證實了原子內(nèi)部能量狀態(tài)的不連續(xù)性。 （3）實驗儀器圖3是F-H實驗的實驗裝置圖，其中右側(cè)為裝有F-H管的控溫加熱爐，左下為穩(wěn)壓電源，左上微電流測量放大器和掃描控制裝置。數(shù)據(jù)輸出可連接到函數(shù)記錄儀。 （1）穩(wěn)壓電源 可提供F-H管所需的燈絲電壓Uf，控制柵電壓U1，加速電壓U2及拒斥電壓UG2P ，實驗中各參數(shù)的選取范圍為： 燈絲電壓：03V，燈絲溫度對陰極的發(fā)射系數(shù)有很大影響，一般在2V左右就能發(fā)射足夠的電子流。 控制柵電壓：控制陰極發(fā)射的電子流的大小，一般取1V左右。 加速電壓：060V，取IP-U2特性曲線上610個峰即可。 拒斥電壓：0.52V（Hg管） （2）Y-X函數(shù)記錄儀 Y-X函數(shù)記錄儀用于描繪板流隨加速電壓的變化曲線。Y-X函數(shù)記錄儀與實驗儀的連接示于圖4。 圖4 測量線路圖 4 實驗內(nèi)容 測繪F-H管的板流IP與加速電壓U2的關(guān)系曲線（IP-UG2P特性曲線），測定氬原子的第一激發(fā)電位U0。 一、 手動測量 1） 按圖5所示的測量線路連接各儀器，并檢查、確認(rèn)連線正確。 2） 開啟控溫加熱爐電源，設(shè)定爐溫為150。加熱F-H管，紅燈亮?xí)r，爐溫達(dá)到設(shè)定溫度。 3） 開啟微電流測試儀電源，待爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后，根據(jù)給定的F-H管的工作參數(shù)，設(shè)定燈絲電壓Uf，控制柵電壓U1，拒斥電壓UG2P（以整個曲線起伏較大為宜）。 4） 設(shè)置掃描方式為手動。手動調(diào)節(jié)加速電壓U2，緩慢地增加U2至60.0V，定性地觀察板流IP的起伏變化，粗測“峰”“谷”的位置，注意選擇微電流測試儀的量程，使IP的最大值不超過量程。若量程選在10-8檔，即表示滿刻度指示為1*10-8A, 其他檔量程以此類推。 5） 在粗測調(diào)整適宜的基礎(chǔ)上，從U2最小開始，逐點測量并記錄IP-U2對應(yīng)的數(shù)值。U2每改變0.5V記錄一次。在電流的峰、谷附近，宜每隔0.2V取值一次。 6） 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，手工描繪IP-U2特性曲線，確定各峰位的電壓值Vn。 7） 確定氬原子的第一激發(fā)電位U0。峰位電壓值Vn與峰序數(shù)n的關(guān)系為： Vn=Va+nU0 .5 實驗數(shù)據(jù)及處理表一：氬的第一激發(fā)曲線測量VG2K（V)IP（3*108A）VG2K（V)IP（3*108A）VG2K（V)IP（3*108A）VG2K（V)IP（3*108A）50266.2472.8687.160276.7484.9695.970286.8496.6705.180.1296.2507.8715.190.3305518.3725.8102313.6528.6737.1113.4322.1538.3748.4124.3331.2547.1759.8135341.1555.87610.5145.2352.1564.17711.1155.3364573.17811.2165.2375.8582.87911175387594.18010.3184.8397.6605.8819.7194407.7617.3828.8203417628.3838.2212.1425.8639.2848.1221.5434.2649.8858.6231.8442.6659.8243.2451.7669.2255461.6678.3VF=2.2V VG1K=2.10V VG2P=6.5V 實驗室溫度：12.5 干度：12.66 實驗結(jié)論.此實驗事實可以證實玻爾的原子理論。通過實驗，可以了解弗蘭克和赫茲研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子間相互作用的思想和方法，了解電子與原子碰撞的微觀過程是怎樣與實驗中的宏觀量相聯(lián)系，并用于研究原子內(nèi)部的能量狀態(tài)與能量交換的圍觀過程。如今已經(jīng)有了許多方法對影響實驗的方法進(jìn)行改進(jìn)，我們在學(xué)習(xí)實驗過程中將可能的能解決實驗誤差的原因進(jìn)行解決達(dá)到物理學(xué)研究的重要意義。7 相對誤差 氬的第一激發(fā)電位精確值=11.57V 各峰值之差： v1=28-15=13v v2=40-28=