弗蘭克赫茲含思考題

1、標(biāo)準(zhǔn)文檔西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)第1 1頁共9 9頁課程：代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)日期：年月日專業(yè)班號(hào)組別交報(bào)告日期：年月日姓名_Bigger_學(xué)號(hào)_報(bào)告退發(fā)：訂正、重做同組者教師審批簽字：實(shí)驗(yàn)名稱：弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過測(cè)量原子第一激發(fā)電位,了解Franck和Hertz在研究原子內(nèi)部能量量子化方面所采用的實(shí)驗(yàn)方法.2了解電子和原子碰撞和能量交換過程的微觀圖像.實(shí)驗(yàn)儀器FH1A、Franck-Hertz實(shí)驗(yàn)儀、示波器等.三、實(shí)驗(yàn)原理圖1是充量四極Franck-Hertz實(shí)驗(yàn)原理圖圖1Franck-Hertz實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)用大全標(biāo)準(zhǔn)文檔電子與原子的碰撞過程可以用一下方程描述：12121212-mev2

2、-MV2=-mev2-MV2E2.1式中：me原子質(zhì)量；M電子質(zhì)量；v電子碰撞前的速度；v電子碰撞后的速度；V原子碰撞前的速度；V原子碰撞后的速度；正原子碰撞后內(nèi)能的變化量.根據(jù)波爾原子能級(jí)理論,AE=0彈性碰撞；正=E1-Eo非彈性碰撞；式中：Eo原子基態(tài)能量；E1原子第一激發(fā)態(tài)能量.電子碰撞前的動(dòng)能1/2mev2E1-Eo,才能在電子產(chǎn)生非彈性碰撞,使得電子獲得某一值E1-Eo的內(nèi)能從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài),調(diào)整加速電場(chǎng)的強(qiáng)度,電子與原子由彈性碰撞到非彈性碰撞的變化過程將在電流上顯現(xiàn)出來.Franck-Hertz管即是為此目的而專門設(shè)計(jì)的.在充入氮?dú)獾腇-H管中如圖2所示,陰極K被燈絲加熱發(fā)

3、射電子,第一柵極G1與陰K之間的電壓VGIK約為1.5V,其作用是消除空間電荷對(duì)陰極K的影響.當(dāng)燈絲加熱時(shí),熱陰極K發(fā)射的電子在陰極K與第二柵極G2之間正電壓形成的加速電場(chǎng)作用下被加速而取得越來越大的動(dòng)能,并與VG2K空間分布的氣體氮原子發(fā)生如2.1式所描述的碰撞而進(jìn)行能量交換.第二柵極G2和A極之間的電壓稱為拒斥電壓,起作用是使能量損失較大的電子無法到達(dá)A極.實(shí)用大全標(biāo)準(zhǔn)文檔陰極K發(fā)射的電子經(jīng)第一柵極G1選擇后局部電子進(jìn)入G1G2空間,這些電子在加速下與氮原子發(fā)生碰撞.初始階段,VG2K較低,電子動(dòng)能較小,在運(yùn)動(dòng)過程中與氮原子作彈性碰撞,不損失能量.碰撞后到達(dá)第二柵極G2的電子具有動(dòng)能1/2

4、mev2,穿過G2后將受到VG2K形成的減速電場(chǎng)的作用.只有動(dòng)能1/2mev2大于eVG2A的電子才能到達(dá)陽極A形成陽極電流IA,這樣,IA將隨著VG2K的增加而增大,如圖IAVG2K曲線Oa段所示.當(dāng)VG2K到達(dá)氮原子的第一激發(fā)電位13.1V時(shí),電子與氮原子在第二柵極附近產(chǎn)生非彈性碰撞,電子把從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量傳給氮原子,使氮原子從較低能級(jí)的基態(tài)躍遷到較高能級(jí)的第一激發(fā)態(tài).而電子本身由于把全部能量給了氮原子,即使他能穿過第二柵極也不能克服VG2A形成的減速電場(chǎng)的拒斥作用而被拆回到第二柵極,所以陽極電流將顯著減少,隨著VG2A的繼續(xù)增加,產(chǎn)生非彈性碰撞的電子越來越多,IA將越來越小,如

5、圖2.2曲線ab段所示,直到b點(diǎn)形成IA的谷值.圖2IAVG2K曲線b點(diǎn)以后繼續(xù)增加VG2K,電子在G2K空間與氮原子碰撞后到達(dá)G2時(shí)的動(dòng)能足以克服VG2A加速電場(chǎng)的拒斥作用而到達(dá)陽極A形成陽極的電流IA,與Oa段類似,形成圖2.2曲線bc段.直到VG2K為2倍氮原子的第一激發(fā)電位時(shí),電子在G2K空間有回音第二次非彈性碰撞而失去能量,因此又形成第二次陽極電流IA的下降,如圖2.2曲線cd段,以此類推,IA隨著VG2K的增加而呈周期性的變化.相鄰兩峰或谷,對(duì)實(shí)用大全標(biāo)準(zhǔn)文檔應(yīng)的VG2K的值之差即為氮原子的第一激發(fā)電位值.四、實(shí)驗(yàn)步驟01物心1熟悉夫蘭克一一赫茲實(shí)驗(yàn)儀各開關(guān)按鈕的作用及示波器的使用

6、方法.2不要急于接入電源開關(guān),應(yīng)先將一？四個(gè)電壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋到底,并把IA量程切換開關(guān)置于“X10-7100nA,VG2K輸出端口和IA輸出端口分別用帶Q9連接頭的電纜連接至示波器或其他設(shè)備X軸輸入端口和Y軸輸入端口.3如果輸出端口和連接的是示波器,自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)置于“自動(dòng),快速/慢速切換開關(guān)置于“快速,否那么切換開關(guān)置于“慢速.4接入電源開關(guān),接通儀器電源,配合使用電壓指示切換開關(guān)調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕一？,使VH約為5V數(shù)值不可太小,以免逸出電子數(shù)量少、能量低,并重復(fù)操作依次調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕11和,分別使VGIK約為1.7V,VG2A約為8V數(shù)值過高易使拒斥電壓過高,能量損失較大的電子無

7、法到達(dá)A極.5逐漸調(diào)節(jié),改變電壓VG2K,調(diào)節(jié)示波器X和Y各相關(guān)旋鈕,使波形正向,清楚穩(wěn)定,無重疊,并要求X軸滿屏顯示,Y軸幅度適中.實(shí)用大全標(biāo)準(zhǔn)文檔6再次調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕一,使波形如圖2所示的,并保證可觀察到6個(gè)以上的IA峰值或谷值,且峰谷幅度適中,無上端切頂現(xiàn)象,從左至右,IA各谷值逐個(gè)抬高.7測(cè)量示波器上所示波形圖中相鄰IA谷值或峰值所對(duì)應(yīng)的VG2K之差即顯示屏上相鄰谷值或峰值的水平距離求出氮原子的第一激發(fā)電位.8選擇手動(dòng),慢速測(cè)量此內(nèi)容可以不使用示波器,使VG2K從最小開始,每間隔5V逐漸增大,在隨著VG2K的值改變IA劇烈變化時(shí),應(yīng)該減少采樣點(diǎn)之間的電壓值間距,使所采樣的點(diǎn)值能夠盡量

8、反映出電流與電壓的波形曲線輪廓,在極值點(diǎn)附近進(jìn)行密集采樣.記錄IA與V值,測(cè)量至少包括6個(gè)峰值 5個(gè)谷值 ,按記錄數(shù)據(jù)畫出圖形.9根據(jù)圖形計(jì)算出相鄰IA谷值或峰值所對(duì)應(yīng)的VG2K之差求出6個(gè)峰值之間的5個(gè)VG2K之差,再求取平均值,以使測(cè)量結(jié)果更精確.求出氮原子的第一激發(fā)電位.五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理第一組：VHH=3.3VVAG2=4.2VVGIK=2.5V實(shí)用大全標(biāo)準(zhǔn)文檔0.02.04.06.08.010.012.014.016.0IA/10-9A0.00.00.13.84.55.25.76.26.5VG2K/V18.020.022.024.026.028.030.032.034.0IA/1

9、0-9A6.66.97.78.69.49.79.19.511.6VG2K/V36.038.040.042.044.046.048.050.052.0IA/10-9A13.514.614.612.814.618.221.222.121.6VG2K/V54.056.058.060.062.064.066.068.070.0IA/10-9A19.222.127.430.832.531.129.132.738.6VG2K/V72.074.076.078.080.082.084.086.088.0IA/10-9A43.546.245.642.444.851.557.360.058.8VG2K/V90.0

10、92.094.096.098.099.6IA/10-9A56.458.763.969.875.976.3根據(jù)圖形計(jì)算出相鄰IA峰值所對(duì)應(yīng)的VG2K之差得:V1=39.13-27.76=11.37VV2=50.67-39.13=11.54VV3=62.21-50.67=11.54VV4=74.75-62.21=12.54VV5=86.29-74.75=11.54VVG2K=(V1+V1+V1+V1+V1)/51免71V實(shí)用大全故氮原子的第一激發(fā)電位實(shí)驗(yàn)值為11.71V,相對(duì)誤差6=13.1生10.6%.標(biāo)準(zhǔn)文檔VG2K/V0.02.04.06.08.010.012.014.016.0IA/10-

11、9A0.00.00.13.94.75.35.86.16.4VG2K/V18.020.022.024.026.028.030.032.034.0IA/10-9A6.56.77.48.29.09.28.49.111.0VG2K/V36.038.040.042.044.046.048.050.052.0IA/10-9A12.913.813.712.013.417.119.520.819.8VG2K/V54.056.058.060.062.064.066.068.070.0IA/10-9A18.621.126.030.031.830.928.431.337.6VG2K/V72.074.076.078.

12、080.082.084.086.088.0IA/10-9A43.545.344.542.244.250.356.460.361.1VG2K/V90.092.094.096.098.099.8IA/10-9A58.959.865.772.978.079.8第二組：VHH=3.3VVAG2=4.2VVGIK=2.8V根據(jù)圖形計(jì)算出相鄰IA峰值所對(duì)應(yīng)的VG2K之差得:VI=39.13-27.42=11.71VV2=50.17-39.13=11.04VV3=62.88-50.17=12.71VV4=74.25-62.88=11.37VV5=87.29-74.25=13.04VVG2K=(V1+V1+V

13、1+V1+V1)/5故氮原子的第一激發(fā)電位實(shí)驗(yàn)值為11.97V11.97V,相對(duì)誤差6=11.97-13.113.1：8.6%實(shí)用大全標(biāo)準(zhǔn)文檔由于VGIK值改變的較小,所以上下差異較小,但還是能看出變化規(guī)律：曲線隨著VGIK增大而上升.還可以VGIK看到增大時(shí),出現(xiàn)了略微左移的現(xiàn)象,說明在小的加速電壓下,第一柵極電壓消除電子在陰極附近堆積效應(yīng)的作用比擬明顯,并且對(duì)電子還具有一定的加速作用,因此通過第一柵極后的電子速度較大,此時(shí)需要的加速電壓相對(duì)減小,故電流峰值左移.六、思考題1解釋圖像形成原因.答：玻爾的原子理論指出：原子只能處于一些不連續(xù)的能量狀態(tài)Ei、E2,處在這些狀態(tài)的原子是穩(wěn)定的,稱為

14、定態(tài).原子的能量不管通過什么方式發(fā)生改變,只能是使原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)；原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí),它將發(fā)射或吸收輻射的頻率是一定的.如果用Em和En分別代表原子的兩個(gè)定態(tài)的能量,那么發(fā)射或吸收輻射的頻率由以下關(guān)系決定：hV=|Em-En|o根據(jù)波爾原子能級(jí)理論,正=0時(shí)發(fā)生彈性碰撞,出=Ei-Eo時(shí)發(fā)生非彈性碰撞,電子碰撞前的動(dòng)能1/2mev2Ei-Eo,才能在電子產(chǎn)生非彈性碰撞,使得電子獲得某一值Ei-Eo的內(nèi)能從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài).就本實(shí)驗(yàn)來說,每到達(dá)一次第一激發(fā)相位就會(huì)有一次電子與原子大規(guī)模碰撞,電子動(dòng)能減為零,對(duì)應(yīng)一次電流的突降,以此類推就會(huì)形成這樣的圖實(shí)用大全標(biāo)準(zhǔn)

15、文檔像.2為什么要取谷/峰值？答：由實(shí)驗(yàn)原理可知,每到達(dá)一次第一激發(fā)相位就會(huì)有一次電子與原子大規(guī)模碰撞,電子動(dòng)能降低,故峰值對(duì)應(yīng)的VG2K的值之差即為氮原子的第一激發(fā)電位值.3從何時(shí)開始算圖像？答：這是由于熱電子溢出金屬外表或者被電極吸收,需要克服一定的接觸電勢(shì),其來源就是金屬的溢出功,所以第一峰的位置會(huì)有偏差.故應(yīng)當(dāng)從出現(xiàn)突變開始算圖像,就本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說,應(yīng)當(dāng)從6.0V開始計(jì)算.4實(shí)驗(yàn)值比理論值低的原因？答：氮原子的基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間有兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài).從光波粒二項(xiàng)性理論可知,該電子在亞穩(wěn)態(tài)的停留時(shí)間10-3s比在經(jīng)一激發(fā)態(tài)的停留時(shí)間10-8s長(zhǎng)10多萬倍.更好的描述是能態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù) 四緯波函

16、數(shù)方程模型理論和宇稱守恒理論.通過這些理論公式可得到相對(duì)準(zhǔn)確的氮原子軌道狀態(tài)能量模圖1相對(duì)準(zhǔn)確的氮原子軌道狀態(tài)能量模型其中,基態(tài)的電勢(shì)是V0=15.76V;兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的電勢(shì)分別是V1=4.21V,V1=4.04V;第一激 發(fā) 態(tài) 的 電 勢(shì) 是V1=2.68eV;基 態(tài) 與 兩 個(gè) 亞 穩(wěn) 態(tài) 的 電 勢(shì) 差 分 別 是V1=V0-V1=11.55V,V1=V0-V1 =11.72V;兩 個(gè) 亞 穩(wěn) 態(tài) 與 基 態(tài) 的 能 量 差 分 別 是E1=11.55eV,E1=11.72eV.實(shí)用大全標(biāo)準(zhǔn)文檔在我們的F-H實(shí)驗(yàn),氮原子的電子吸收內(nèi)能從基態(tài)“跑到第一激發(fā)態(tài),再迅速釋放內(nèi)能從第一激發(fā)態(tài)“跑

17、到兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)中的任意一個(gè).吸收的內(nèi)能來自非彈性碰撞過程,釋放的內(nèi)能又還給了非彈性碰撞過程.這個(gè)過程,可看成電子吸收內(nèi)能人基態(tài)“跑到兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)中的任意一個(gè).因此運(yùn)動(dòng)電子的動(dòng)能大于11.8eV時(shí),即可與氮原子發(fā)生非彈性碰撞.由此可知,F-H實(shí)驗(yàn)中氮原子的第一激發(fā)電位應(yīng)為基態(tài)與兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的電勢(shì)差.因此在F-H實(shí)驗(yàn)中氮原子的第一激發(fā)電位修正為Vi=11.55V,Vi=11.72V.這與我們的實(shí)驗(yàn)值就較為接近了.5為什么常用電子來研究原子的特性？答：a電子是構(gòu)成原子的根本粒子之一,質(zhì)量極小,帶單位負(fù)電荷,不同的原子擁有的電子數(shù)目不同.b電子的質(zhì)量小,便于加速,從而得到高速的電子,這是研究原子的一個(gè)常用工具.c原子是一種元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位.一個(gè)原子包含有一個(gè)致密的原子核及假設(shè)干圍繞在原子核周圍帶負(fù)電的電子.原子的質(zhì)子數(shù)決定他所屬于哪種元素,而原子的電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù).結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),元素的化學(xué)性質(zhì)由最外層電子決定.綜上三