弗蘭克赫茲試驗報告

1、弗蘭克-赫茲實(shí)驗一.實(shí)驗?zāi)康臏y量F-H管傳統(tǒng)情況下加速電壓與板極電流的關(guān)系曲線。二.實(shí)驗原理1.激發(fā)電勢(1)玻爾的原子理論原子只能較長地停留在定態(tài)，原子在這些狀態(tài)時，不發(fā)射也不吸收能量。各 定態(tài)有一定的能量，其數(shù)值是彼此分割的。原子的能量不論通過什么方式發(fā)生改 變，它只能從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)。原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)而發(fā)射或吸收輻射時，輻射頻率是一定的，如果用Em和En分別表示有關(guān)兩定態(tài)的能量，輻射的頻率決定如下關(guān)系：hEm En式中，h為普朗克常量，為了使原子從低能級向高能級躍遷，可以通過具有一 定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換的辦法來實(shí)現(xiàn)。(2)設(shè)初速度為零的電子在電勢差

2、為U0的加速電場作用下，獲得能量eU。，當(dāng)具有這種能量的汞電子與稀薄氣體的原子發(fā)生碰撞時，就會發(fā)生能量交換。如以Ei代表汞原子的基態(tài)能量，E2代表汞原子的第一激發(fā)態(tài)能量，那么當(dāng)汞原子吸收從電子傳遞來的能量恰為eUo E2 Ei(1)汞原子就會從基態(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。測定出這個電勢差U。，就可以根據(jù)公式(1)求出汞原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差了。2.弗蘭克-赫茲管K5BKGPBYN.png" * MERGEFORMATINET K5BKGPBYN.png" * MERGEFORMATINET圖三圖一：G1G2短接， G1G2為等勢區(qū)，電

3、子由熱陰極發(fā)出，經(jīng)加速電壓 UG2K使電 子加速，電子可達(dá)到任意位置。如果電子在空間中與汞原子碰撞， 把自己一部分 能量傳外汞原子。從陰極射出來的電子能量不同， 從小到大分布，能量大的原子 傳遞給汞原子能量，先進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)。圖二：加速電壓的正極接G1;圖三：加速電壓的正極接 G2。這樣連接的電路 能保證沒有熱電子打到板極上，只有正離子會從加速電壓正極向板極加速運(yùn)動。 此時由于原子電離可以測到板極電流。三.實(shí)驗裝置1 .弗蘭克-赫茲管弗蘭克-赫茲管為實(shí)驗儀的核心部件，弗蘭克-赫茲管采用間熱式陰極、雙柵極和 板極的四極形式，各極均為圓筒狀。弗蘭克-赫茲管充汞氣，玻璃封裝。2 .工作電源：FH管電源

4、組用來提供F H管各極所需的工作電壓。其中包括燈 絲電壓UF,直流0V6.3V連續(xù)可調(diào)；第一柵極電壓UG1K直流05V連續(xù)可調(diào); 第二柵極電壓UG2K直流0100V連續(xù)可調(diào)。3 .掃描電源和微電流放大器：提供 012V的手動可調(diào)直流電壓或自動慢掃描輸 出鋸齒波電壓，作為FH管的加速電壓，供手動測量或函數(shù)記錄儀測量。4 .微電流測量儀：微電流放大器用來檢測 FH管的板流。四.實(shí)驗內(nèi)容1 .了解弗蘭克-赫茲管的結(jié)構(gòu)2 .了解爐溫對汞管內(nèi)蒸汽濃度和電子自由程的控制，蒸汽濃度與T為指數(shù)關(guān)系，自由程與T成反比關(guān)系。3 .分析電子碰撞原子造成原子激發(fā)類型和退激發(fā)的后果，即造成原子能級的跳 躍。原子激發(fā)類型

5、分為：低激發(fā)、高激發(fā)、電離。并且需要的能量越來越高。 激發(fā)類型與自由程的關(guān)系：自由程越小，碰撞的機(jī)會越大，低激發(fā)概率就越大。 因此：在爐溫為140攝氏度時，觀察低激發(fā)態(tài)；在爐溫為100攝氏度時，觀察高激發(fā)態(tài)；在70至80攝氏度時，觀察電離現(xiàn)象。退激發(fā)：原子處于低激發(fā)態(tài)時是不穩(wěn)定的， 容易從高能級躍遷到低能級，能量通 常是同u過光輻射釋放出去，在原子與原子之間傳遞。4 .選擇外部電路，連接電路圖，從0.0v起，每隔一定的電壓值調(diào)節(jié)電壓源Ugk ,仔細(xì)觀察弗蘭克-赫茲管的極板電流值Ip的變化，讀出極板電流值Ip及對應(yīng)的電 p p壓值UGK °5 .自擬表格，詳細(xì)記錄實(shí)驗條件和相應(yīng)的I U

6、GK值。五.實(shí)驗數(shù)據(jù)分析表1測量汞原子的電離曲線電壓Ugk (V)板極電流I p (A)7.60.17.80.380.48.10.68.20.78.30.98.618.91.291.39.11.49.31.89.5210.62.112.62.212.8312.93.413.2413.66.113.7813.9111412.614.321.214.42414.536.714.63914.74214.846一電壓-板極電流40-30-常20-10-1011III12131415目三值圖四根據(jù)實(shí)驗圖像可知，該圖像可分為 4個階段。第一階段（A點(diǎn)）：電流為0,說明板極上沒有粒子打上去，也沒有粒子跑出來

7、, 即沒有粒子激發(fā)也沒有粒子電離。第二階段（A-B段）：激發(fā)開始，光電流產(chǎn)生，光子打到板極上。第三階段：（B-C段）激發(fā)達(dá)到飽和，加速電壓同時是控制電壓，熱電子發(fā)射達(dá)到飽和，此時Gi G2間是等勢區(qū)，熱電子在獲得了加速能量后，在此區(qū)與汞原子碰撞，碰撞的距離長，碰撞機(jī)會多，因此，在加速能量沒有達(dá)到電離能以前,就會有很多汞原子被激發(fā)，因紫外輻射所形成的光電流較大，能被測量到，這就 是“矮平臺”的來源，但是此時加速能量不足以達(dá)到電離能。第四階段：(C以后)電離開始，當(dāng)電子的能量被加速到電離能以上的數(shù)值，電子與原子的碰撞就可能使汞原子電離， 而電子在奔向極板p的過程被加速，所獲 得的能量有可能讓別的原

8、子電離，形成“雪崩效應(yīng)”，極板電流就會迅速增大， 這就是曲線上升的原因。表二電壓Ugk (V)板極電流I p (A)8.9013013.40.113.50.213.6113.91.2141.414.1214.32.414.52.614.62.814.7314.83.815415.14.815.25.815.57.215.68.115.78.215.910.11610.416.213.816.415.916.617.916.921.9172417.12617.227.917.432.217.53417.63617.739.217.817.918.140.142.3 49表三電壓Ugk (V)板極

9、電流I p (A)25.50260.127.10.828.8130.51.230.81.331.11.531.41.731.61.932.3232.72.133333.13.433.33.833.43.933.5433.64.233.75.9346.234.2834.38.634.49.934.510.234.711.934.81334.914.135.11635.218.435.52235.623.835.726363236.13636.23836.442.436.546.636.649.9BDFX Axis Title圖五前三個不同的電路圖所測數(shù)據(jù)畫在在同一個表上所得到的結(jié)果。圖中電流為0時電壓的值有明顯的差別，造成這種情況的原因是：對于圖一電路來說，G2與P之間是反射區(qū)，加速電壓同時是控制電壓。止匕時 G 1與G2間是等勢區(qū)，熱 電子在獲得了加速能量后，在此區(qū)與汞原子碰撞，碰撞的距離長，碰撞機(jī)會多， 所以整體比較靠左；對于圖二電路來說，加速電壓同時也是控制電壓，電子一旦 進(jìn)入了 G1與P之間的反射區(qū)域，就開始減速，到不足一半的距離就要反射回來。 此時，電子與原子非彈性碰撞的機(jī)會少， 在