弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)測(cè)定汞原子的第一激發(fā)電位，證明原子能級(jí)存在。二實(shí)驗(yàn)原理1激發(fā)電勢(shì)玻爾的原子能級(jí)理論（1） 原子只能長(zhǎng)時(shí)間的停留在一些穩(wěn)定的狀態(tài)，（簡(jiǎn)稱(chēng)定態(tài)）。原子在這些狀態(tài)時(shí)， 不發(fā)射或吸 收能量；各定態(tài)有一定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的能量不論通過(guò)什么方式發(fā)生改變，它只能從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)。（2）原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到了另一個(gè)定態(tài)而發(fā)射或吸收一定的能量，輻射頻率是一定的，滿(mǎn) 足hv Em En（ 1）原子實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷的途徑之一，就是通過(guò)具有一定能量的電子與原子碰撞的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)初速度為零的電子在電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)作用下，獲得的能量為eU,當(dāng)具有這種能量的電子與稀薄氣體中的原子

2、發(fā)生碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量交換，如以Ei帶表汞原子的基態(tài)能量，E2代表汞原子第一激發(fā)態(tài)的能量，那么當(dāng)汞原子從電子傳遞來(lái)的能量恰好為eU 0E2E1（ 2）時(shí)，汞原子就會(huì)從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。相應(yīng)的電勢(shì)差稱(chēng)為汞的第一激發(fā)電勢(shì)（中肯電勢(shì)）夫蘭克-核子實(shí)驗(yàn)原理如圖1示。在充汞的夫蘭克赫茲管中，電子有陰極發(fā)出，陰極UGk/VK和柵極G之間的加速電壓UGk供電子加速。在板極A和柵極G之間加有拒斥電壓UAgo管子空間電位分布如圖2示。當(dāng)電子通過(guò)KG空間進(jìn)入GA空間時(shí)，如果有較大的能量（ eUA） 就能沖過(guò)反向拒斥電場(chǎng)而到達(dá)板極形成電流，為微電流計(jì)PA檢測(cè)出。如果電子在 KG空間與汞原子碰撞，把自己的一部分

3、能量給了汞原子而使后者激發(fā)的話(huà)，電子本身剩余的能量很少，以致功過(guò)柵極后不足以克服拒斥電場(chǎng)而被折回到柵極。這時(shí)，通過(guò)微電流計(jì)的電流將顯著的減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察電流計(jì)的電流隨“K逐漸增加時(shí)的現(xiàn)象。如果原子能級(jí)確實(shí)存在的話(huà)，而且基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)有確定的能量差，就能觀察到如圖3示的Ia-Ugk曲線(xiàn)。曲線(xiàn)反映了汞原子在 KG空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。當(dāng)KG空間電壓逐漸增加時(shí)， 電子在KG空間被加速而取得越來(lái)越大的能量。但起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，即使在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中它與原子碰撞也只有較少的能量 交換（彈性碰撞）。穿過(guò)柵極的電子形成的板流IA將隨柵極電壓的增加而增大（圖中0A段）。當(dāng)KG間的電

4、壓達(dá)到汞原子的第一激發(fā)電勢(shì)U0時(shí)，電子在柵極附近與汞原子相碰撞，將自己從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量都交給后者，并且使后者從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)。而電子本身由于能量全部交給 了汞原子，即使穿過(guò)了柵極也不能克服拒斥電場(chǎng)而被折回柵極。所以板極電流IA 將顯著減小（圖AB 段）。隨著柵極電壓的正家，電子的能量也隨著增加，在與汞原子碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)到板極A,這時(shí)電流有開(kāi)始上升（BC段）。直到KG間電壓是二倍的汞原子因而又造成了第二次板極電流的的第一激發(fā)電勢(shì)時(shí)， 電子在KG空間又會(huì)因?yàn)槎闻鲎捕ツ芰?下降（CD段），同理Ugk nU。(n-1, 2, 3,)( 3)凡符合

5、（ 3）式的地方板極電流都會(huì)下跌，形成規(guī)則起伏變化的IA-UGK 曲線(xiàn)。而各次板極電流下降相對(duì)應(yīng)的陰、柵極電壓差 U m i U m應(yīng)該是汞原子的第一激發(fā)電勢(shì)。三 實(shí)驗(yàn)儀器FH-1A夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀（加熱爐、微電流測(cè)量放大器）、溫度計(jì)。四 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、 正確連接線(xiàn)路，A G H、K連線(xiàn)一一對(duì)應(yīng)，不可混接或短路。2、 將微電流放大器，工作選擇置于 DC工作狀態(tài)置于 R,柵極電壓調(diào)到最小，預(yù)熱5分鐘。3、 接通加熱爐電源，溫度升至180 C時(shí)調(diào)零（10-5檔位）和滿(mǎn)度（FULL）。4、 緩慢增加?xùn)艠O電壓，粗略全面觀察一次IA的起伏變化，當(dāng)卩A表滿(mǎn)度時(shí)相應(yīng)的改變倍率。5、 從0V起仔細(xì)調(diào)節(jié)柵

6、極電壓，細(xì)心觀察IA的變化，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。讀出IA的峰谷值的電流和對(duì)應(yīng)的電壓，至少記錄 4組峰谷值。為了準(zhǔn)確反映實(shí)驗(yàn)規(guī)律，在峰谷值的兩側(cè)分別記兩 組數(shù)據(jù)。6、 實(shí)驗(yàn)完畢，微電流放大器工作選擇，工作狀態(tài)置于0，柵極電壓調(diào)到最小，只關(guān)閉加熱爐點(diǎn)驗(yàn)，不要關(guān)閉微電流放大器。五、 數(shù)據(jù)記錄及處理1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄峰1谷1峰2谷2峰3谷3峰4谷4UGk/V5I A/ 卩 A (10-)2數(shù)據(jù)處理(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可以得到第一激發(fā)電勢(shì)為U。UnU 峰n 1U峰nH或U。UnU谷n1 U 谷n，得U115.111.64.5U219.615.14.5U324.219.64.6U416.912.14.7U521.51

7、6.94.6U626.221.54.7故Ui4.6V4.54.5 4.64.7 4.64.76(2)不確定度計(jì)算A類(lèi)分量SU。)21)11 12,3(4.5 4.6)6 (6 1) 0.0133B類(lèi)不確定度分量0.29合成不確定度s2u2. 0.00132 0.8720.29 0.3(3 )第一激發(fā)電勢(shì)為(4.5 4.6)2(4.6 4.6)2(4.74.6)2(4.6 4.6)2(4.74.6)2U0 U（4.60.3）VB100%6.5%U六實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論1、由實(shí)驗(yàn)圖象可以驗(yàn)證了汞原子的能級(jí)存在，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到汞原子的第一激發(fā)電勢(shì)為U0 U（4.60.3）V，與公認(rèn)的理論值U04.9V符合的較好。2、誤差可能出現(xiàn)的原因（1 ）溫度的微小變化引起的誤差；（2）讀數(shù)時(shí)的視覺(jué)誤差；（3 ）儀器自身的誤差。開(kāi)始階段電流變化不明顯，誤差可能較大。七注意事項(xiàng)1、 連線(xiàn)時(shí)注意 A K、G H間的一一對(duì)應(yīng)，避免混接或短路