北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告：弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)(docx版)

1、北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告:-赫茲實(shí)驗(yàn)（docx版）弗蘭克弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1)了解弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)用伏安證明原子存在能級(jí)的原理和方法(2)學(xué)習(xí)用伏安法測(cè)量非線(xiàn)性器件(3)學(xué)習(xí)微電流的測(cè)量【儀器用具】參數(shù)0IO”檔VF 05V 2.5 級(jí)VG1K 05V 2.5級(jí)VG2P 015V 2.5 級(jí)士(0.5%+4)儀器名FHn弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀F-H-n弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀微電流放大器F-H-II弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀電源組VictorVC9806+數(shù)字萬(wàn)用表200mV檔【實(shí)驗(yàn)原理】(1)原子的受激輻射玻爾的氫原理理論指出，原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)(稱(chēng)為定態(tài))。這些定態(tài)的能量(稱(chēng)為能級(jí))是不連續(xù)

2、分布的，其中能級(jí)最低的狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)。原子在兩個(gè)定態(tài)之間發(fā)生躍遷時(shí)，要吸收或發(fā)射一定的能量，該能量等于兩個(gè)定態(tài)之間的能量差A(yù)Emn=Em-En原子在能級(jí)之間的躍遷可以通過(guò)有一定能量的電子與原子碰撞交換能量來(lái)實(shí)現(xiàn)c初速度為零的電子經(jīng)過(guò)電勢(shì)差外加速獲得能量eUo,當(dāng)這些電子與稀薄氣體(例如汞)發(fā)生碰撞，就會(huì)發(fā)生能量交換。當(dāng)電子能量滿(mǎn)足叫=AEmn便會(huì)使得原子從E被激發(fā)到Em，電子能量被吸收。(2)弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)圖1弗蘭克-赫茲裝置示意圖圖1是弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖中左側(cè)為弗蘭克-赫茲管(FH管),它是一種密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量較大的汞或惰性氣體原子。在這里燈絲用來(lái)對(duì)陰極K加熱，

3、使其發(fā)射熱電子。燈絲電壓4越高，陰極K發(fā)射的電子流也就越大。第一柵極Gi的主要作用是消除空間電荷對(duì)陰極電子發(fā)射的影響。第二柵極G2的作用是在G2和K之間形成對(duì)電子加速的靜電場(chǎng)。發(fā)射的電子穿過(guò)柵極G2達(dá)到極板P,形成板流小。板流卜的大小由微電流測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。在板極P和G2之間加有一反向電壓，它對(duì)電子減速，使經(jīng)過(guò)碰撞后動(dòng)能非常低的電子折回。由熱陰極發(fā)射的電子初速度為零，受加速電場(chǎng)2K作用，%2K較低時(shí)，電子能量小于原子的激發(fā)能，電子與汞原子只能發(fā)生彈性碰撞。當(dāng)%2K增大到原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子與原子間就產(chǎn)生非彈性碰撞，汞原子吸收電子的能量，由基態(tài)被激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)。電子損失能量后不能穿越拒斥

4、場(chǎng)，引起板流介聚減,于是%2K特性曲線(xiàn)上出現(xiàn)第一個(gè)峰值。%2K繼續(xù)增大，電子經(jīng)第一次非彈性碰撞后的剩余能量足以使其與汞原子產(chǎn)生第二次非彈性碰撞，汞原子再次從電子中取得能量，能量交換的結(jié)果使"再次下降。峰間距正是第一激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能極差，在本次實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量各個(gè)峰值并對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性擬合可以更準(zhǔn)確地測(cè)得能極差。(3)實(shí)驗(yàn)裝置加熱爐弱電流放大器圖2四柵式FH管實(shí)驗(yàn)儀器如圖2所示，儀器分為三部分。加熱爐和控溫儀：中有FH管，保持FH處于預(yù)定溫度中電源組：包括三組獨(dú)立的穩(wěn)壓電源，分別提供除燈絲加熱電源，%1K控制電子束強(qiáng)度的加速電壓，%2P減速用的反向電壓微電流放大器：將板流小并輸出U?！?，

5、本次試驗(yàn)中用U。比代替小【實(shí)驗(yàn)原理】1預(yù)熱汞管至180度2如圖2所示搭建實(shí)驗(yàn)裝置3根據(jù)參考數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)42P，在允許范圍內(nèi)使得峰谷比較大4調(diào)節(jié)%2K，粗測(cè)或一七2/，了解峰出現(xiàn)的范圍3緩慢調(diào)節(jié)？?？細(xì)測(cè)？?-?曲線(xiàn)4處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5換用氮管，重復(fù)上述步驟【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果】1汞?=?V?=?V?=?表格一汞？?-?數(shù)據(jù)表（略）表格二汞？?-?蟒值表1234567?8.4? /?4 7.13.118.123.028.233.338.55.04.95.25.15.2?= ?+ ?”?利用公式線(xiàn)性擬合得?2?=?.?=0.99971? =?9v# ? ? ?- ? ?產(chǎn)（？?，、.t>£

6、) -non圖1HgU-Uout關(guān)系圖表格一覺(jué)?冬 （略）?=?V?=?V?=?數(shù)據(jù)表?=?v?=?v?=?表格-m?1?敖據(jù)表（略）表格三氮？?峰值表n123456?/?17.427.940.052.765.679.310.512.112.712.913.7利用公式?=?+?線(xiàn)性擬合得?產(chǎn)?=0.99787?一V?"?2=?=?.?2?=(?±?./Uout(mV)12s4©OOOOQQOO1E1i1,1,1E費(fèi)Ug2P=Z5V:3掠鼠lr賽M#1Ug2P=95Vh/IfW；iip交*i4*AAHAJWt_/VVV11"111.1020406030100Uf(V)圖2ArU-Uout關(guān)系圖【思考題】如圖4所示，反向減速電壓？?據(jù)大時(shí)會(huì)有三種效果，？?蟒值、谷值均減小,?&?朝線(xiàn)向下移動(dòng)，峰值位置？?利右移動(dòng)。解釋如下:1.2.3.由于反向電壓增大，所以在任何情況下抵達(dá)極板的電子都會(huì)減少，故峰值、谷值均減小作為1的結(jié)果，？?曲線(xiàn)整體向下移動(dòng)由于燈絲加熱逸出電子;這是熱力學(xué)平衡的過(guò)程，所以電子的能量分布滿(mǎn)足麥克斯韋分布（概率密度是能量？?勺函數(shù)）,經(jīng)過(guò)加速電場(chǎng)?能量分布平移。能量大于？?因部分才能通過(guò)柵極，到達(dá)極板。但是？?>?妁部分電子將激發(fā)汞原子甚至多次激發(fā)汞原子，導(dǎo)致？?>?叢因而也不能到達(dá)極板。故?<?<