北京大學物理實驗報告：弗蘭克-赫茲實驗(docx版)

1、北京大學物理實驗報告:-赫茲實驗（docx版）弗蘭克弗蘭克-赫茲實驗【實驗目的】(1)了解弗蘭克赫茲實驗用伏安證明原子存在能級的原理和方法(2)學習用伏安法測量非線性器件(3)學習微電流的測量【儀器用具】參數(shù)0IO”檔VF 05V 2.5 級VG1K 05V 2.5級VG2P 015V 2.5 級士(0.5%+4)儀器名FHn弗蘭克赫茲實驗儀F-H-n弗蘭克赫茲實驗儀微電流放大器F-H-II弗蘭克赫茲實驗儀電源組VictorVC9806+數(shù)字萬用表200mV檔【實驗原理】(1)原子的受激輻射玻爾的氫原理理論指出，原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)(稱為定態(tài))。這些定態(tài)的能量(稱為能級)是不連續(xù)

2、分布的，其中能級最低的狀態(tài)稱為基態(tài)。原子在兩個定態(tài)之間發(fā)生躍遷時，要吸收或發(fā)射一定的能量，該能量等于兩個定態(tài)之間的能量差AEmn=Em-En原子在能級之間的躍遷可以通過有一定能量的電子與原子碰撞交換能量來實現(xiàn)c初速度為零的電子經(jīng)過電勢差外加速獲得能量eUo,當這些電子與稀薄氣體(例如汞)發(fā)生碰撞，就會發(fā)生能量交換。當電子能量滿足叫=AEmn便會使得原子從E被激發(fā)到Em，電子能量被吸收。(2)弗蘭克-赫茲實驗圖1弗蘭克-赫茲裝置示意圖圖1是弗蘭克-赫茲實驗裝置示意圖。圖中左側為弗蘭克-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。在這里燈絲用來對陰極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之間形成對電子加速的靜電場。發(fā)射的電子穿過柵極G2達到極板P,形成板流小。板流卜的大小由微電流測試儀進行測量。在板極P和G2之間加有一反向電壓，它對電子減速，使經(jīng)過碰撞后動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2K作用，%2K較低時，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%2K增大到原子的第一激發(fā)電位時，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，引起板流介聚減,于是%2K特性曲線上出現(xiàn)第一個峰值。%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，在本次實驗中，通過測量各個峰值并對其進行線性擬合可以更準確地測得能極差。(3)實驗裝置加熱爐弱電流放大器圖2四柵式FH管實驗儀器如圖2所示，儀器分為三部分。加熱爐和控溫儀：中有FH管，保持FH處于預定溫度中電源組：包括三組獨立的穩(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、本次試驗中用U。比代替小【實驗原理】1預熱汞管至180度2如圖2所示搭建實驗裝置3根據(jù)參考數(shù)據(jù)調節(jié)42P，在允許范圍內使得峰谷比較大4調節(jié)%2K，粗測或一七2/，了解峰出現(xiàn)的范圍3緩慢調節(jié)？?？細測？?-?曲線4處理實驗數(shù)據(jù)5換用氮管，重復上述步驟【實驗數(shù)據(jù)及處理結果】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?= ?+ ?”?利用公式線性擬合得?2?=?.?=0.99971? =?9v# ? ? ?- ? ?產(chǎn)（？?，、.t>£

6、) -non圖1HgU-Uout關系圖表格一覺?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?=?+?線性擬合得?產(chǎn)?=0.99787?一V?"?2=?=?.?2?=(?±?./Uout(mV)12s4©OOOOQQOO1E1i1,1,1E費Ug2P=Z5V:3掠鼠lr賽M#1Ug2P=95Vh/IfW；iip交*i4*AAHAJWt_/VVV11"111.1020406030100Uf(V)圖2ArU-Uout關系圖【思考題】如圖4所示，反向減速電壓？?據(jù)大時會有三種效果，？?蟒值、谷值均減小,?&?朝線向下移動，峰值位置？?利右移動。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極板的電子都會減少，故峰值、谷值均減小作為1的結果，？?曲線整體向下移動由于燈絲加熱逸出電子;這是熱力學平衡的過程，所以電子的能量分布滿足麥克斯韋分布（概率密度是能量？?勺函數(shù)）,經(jīng)過加速電場?能量分布平移。能量大于？?因部分才能通過柵極，到達極板。但是？?>?妁部分電子將激發(fā)汞原子甚至多次激發(fā)汞原子，導致？?>?叢因而也不能到達極板。故?<?<