弗蘭克-赫茲試驗(yàn)試驗(yàn)報(bào)告

1、莄 For pers onal use only in study and research; not for commercial use薀弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)薇一實(shí)驗(yàn)?zāi)康捏νㄟ^測定汞原子的第一激發(fā)電位，證明原子能級(jí)存在。肅二實(shí)驗(yàn)原理莇1激發(fā)電勢蚆玻爾的原子能級(jí)理論膃（1）原子只能長時(shí)間的停留在一些穩(wěn)定的狀態(tài)，（簡稱定態(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)。薀（ 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，滿足荿 hv = Em - En（ 1）螄原子

2、實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷的途徑之一，就是通過具有一定能量的電子與原子碰撞的方式來實(shí)現(xiàn)的。子與稀薄氣體中的原子發(fā)生碰撞時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量交換，如以E1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的能量恰好為芀eU°= E2 - Ei（ 2）蒀時(shí)，汞原子就會(huì)從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。相應(yīng)的電勢差稱為汞的第一激發(fā)電勢（中肯電勢）腿夫蘭克-核子實(shí)驗(yàn)原理如圖1示。圉g夫蘭克-赫感“子內(nèi)部電位分布薁在充汞的夫蘭克赫茲管中，電子有陰極發(fā)出，陰極K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 UAG。管子空間電位分布如圖 2示。當(dāng)電子通過 KG空間進(jìn)

3、入 GA空間時(shí)，如果有較大的能量（ eUAG）,就能沖過反向拒斥電場而到達(dá)板極形成電流，為微電流 計(jì)PA檢測出。如果電子在KG空間與汞原子碰撞，把自己的一部分能量給了汞原子而使后者激發(fā)的 話，電子本身剩余的能量很少，以致功過柵極后不足以克服拒斥電場而被折回到柵極。這時(shí)，通過 微電流計(jì)的電流將顯著的減小。莀實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察電流計(jì)的電流隨Ugk逐漸增加時(shí)的現(xiàn)象。如果原子能級(jí)確實(shí)存在的話，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。曲線反映了汞原子在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越大的能量。但起始階段，由于電壓較低

4、，電子的能量較少，即使在運(yùn)動(dòng)過程中它與原子碰撞也只有較 少的能量交換（彈性碰撞）。穿過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 OA段）。當(dāng)KG間的電壓達(dá)到汞原子的第一激發(fā)電勢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，即使穿過了柵極也不能克服拒斥電場而被折回柵極。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而達(dá)到板極A，這時(shí)電流有開始上升（BC段）。直到KG間電壓是二倍的汞原子

5、的第一激發(fā)電勢時(shí)，電子在 KG空間又會(huì)因?yàn)槎闻鲎捕ツ芰浚蚨衷斐闪说?二次板極電流的下降（CD段），同理螆 Ugk =nU° （ n=1, 2, 3,）（3）薃凡符合（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。而各次板極電流下降相對應(yīng)的陰、柵極電壓差U m 1 -U m應(yīng)該是汞原子的第一激發(fā)電勢。芁三實(shí)驗(yàn)儀器膈FH-1A夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀（加熱爐、微電流測量放大器）、溫度計(jì)。膈四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、2、 肅正確連接線路，A、G、H、K連線一一對應(yīng)，不可混接或短路。3、4、 肂將微電流放大器，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

6、鐘。5、6、 艿接通加熱爐電源，溫度升至180 C時(shí)調(diào)零（10-5檔位）和滿度（FULL ）。8、芆緩慢增加?xùn)艠O電壓，粗略全面觀察一次IA的起伏變化，當(dāng) 卩A表滿度時(shí)相應(yīng)的改變倍率。9、10、蒂從0V起仔細(xì)調(diào)節(jié)柵極電壓，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)。11、12、螂實(shí)驗(yàn)完畢，微電流放大器工作選擇，工作狀態(tài)置于O,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。芀五、數(shù)據(jù)記錄及處理蒞1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄膆蒃峰1肇谷1螇峰2薅谷2芃峰3腿谷3祎峰4羄谷4蝿 U gk/V賺 11.6膈

7、12.1蒄 15.1蒀 16.9羈 19.6莆 21.5袃 24.2芀 26.2聿 Ia/ 卩 A (10-5)蒅 13.6節(jié)5.9羀 39.0肁7.9螇 59.0螞 12.1蟻 121.0袈 24.0蒞2數(shù)據(jù)處理蒁（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可以得到第一激發(fā)電勢為罿 U 0 = Un = U 峰 n 1 - U 峰 n H 或 U 0 = ：U n = U 谷 n 1 _U 谷 n，得羋.：U 4 =15.1 11.6 =4.5U 2 = 19.6 15.1 =4.5裊 U 3 =24.2 _19.6 =4.6：U4 = 16.912.1 = 4.7膂 U 5 = 21.516.9 二 4.6：U6

8、=26.2 -21.5 =4.7螇故4.5 4.5 4.6 4.7 4.6 4.7= 4.6V6芄(2)不確定度計(jì)算羂A類分量' (5 -U0)2z . n生 n( n -1)L222222(4.5-4.6)2 (4.5-4.6)2(4.6-4.6)2(4.7 -4.6)2 (4.6 -4.6)2(4.7-4.6)26 (6-1)= 0.0133B類不確定度分量1 .2"儀 11u 二-20.29(32J3合成不確定度s2 u2 = 0.00132 0.872 二 0.29 : 0.3(3 )第一激發(fā)電勢為U0 f ；U ： ：； =(4.6 -0.3)VB 二石 100%

9、=6.5%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)電勢為U。=（4.6 _0.3）V，與公認(rèn)的理論值Uo = 4.9V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)的視覺誤差；（3 ）儀器自身的誤差。開始階段電流變化不明顯，誤差可能較大。七注意事項(xiàng)1、連線時(shí)注意 A、K、G、H間的一一對應(yīng)，避免混接或短路。2、對微電流放大器先進(jìn)行預(yù)熱，在接通加熱爐電源。3、使用儀器時(shí)注意調(diào)零和滿度。4、由于有熱慣性，帶加熱爐溫度穩(wěn)定后進(jìn)行測量。5、加熱爐溫度很高，避免灼傷。6、微電流放大器電流表滿偏時(shí)迅速降低柵極電壓或擴(kuò)

10、大電流表倍率，以免損壞儀器。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pas ns commerdeses.to員bko gA.nro

11、geHKO TOpMenob3ymrnflCH6yHeHuac egoB u HHuefigoHMucno 員 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 員 ex.僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la rech