大學(xué)物理的弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告內(nèi)容包含：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)述、實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中的問(wèn)題探討實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)測(cè)量汞原子的第一激發(fā)電位，來(lái)證明原子分立態(tài)的存在，即原子內(nèi)部能量量子化;了解弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路和基本的實(shí)驗(yàn)方法；學(xué)會(huì)這種將宏觀的碰撞模型應(yīng)用到微觀的能量轉(zhuǎn)化機(jī)制中的科研方法；實(shí)驗(yàn)原理：玻爾理論：由玻爾理論知，原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定的能量狀態(tài)（簡(jiǎn)稱定態(tài)）,它的能量不能連續(xù)變化而只能是突變，即“躍遷”原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)而發(fā)射或吸收能量，輻射的頻率是一定的hV二Em-En。以電量為e電子，在電位差U1的加速電場(chǎng)作用下，來(lái)使原子從基態(tài)能E0躍遷到第一激發(fā)態(tài)能量E1，則有eU二E-Eii0。2、弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)：使用慢電子轟擊呈氣態(tài)的汞原子，發(fā)生碰撞，將電子的能量轉(zhuǎn)化給汞原子;通過(guò)改變加速電壓來(lái)改變電子的動(dòng)能，并通過(guò)電流計(jì)來(lái)測(cè)量電子的數(shù)目，具體的實(shí)驗(yàn)裝置圖如下：當(dāng)電子的加速電壓U〈原子第一激發(fā)電勢(shì)U1，電子與原子碰撞發(fā)生動(dòng)能與內(nèi)能的交換能量很小，可忽略，為“彈性碰撞”，電子的動(dòng)能可視為不變；當(dāng)電子的加速電壓U＞原子第一激發(fā)電勢(shì)U1,電子與原子碰撞發(fā)生動(dòng)能與內(nèi)能的交換，為“非彈性碰撞”，電子碰撞后速度變慢，能量轉(zhuǎn)化給汞原子的基態(tài)電子，發(fā)生第一激發(fā)態(tài)，原子會(huì)輻射光子；玻爾的原子理論指出：①原子只能處于一些不連續(xù)的能量狀態(tài)E1、E2……，處在這些狀態(tài)的原子是穩(wěn)定的，稱為定態(tài)。原子的能量不論通過(guò)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)；②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，則發(fā)射或吸收輻射的頻率由以下關(guān)系決定：hv=|Em—En|(1)式中：h為普朗克常量。原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷,也可以通過(guò)具有一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換來(lái)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)即讓電子在真空中與汞蒸氣原子相碰撞。設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E1,第一激發(fā)態(tài)的能量為E2，從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量就是E2-E1。初速度為零的電子在電位差為U的加速電場(chǎng)作用下具有能量eU，若eU小于E2-E1這份能量，則電子與汞原子只能發(fā)生彈性碰撞，二者之間幾乎沒(méi)有能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)電子的能量eU三E2—E1時(shí)，電子與汞原子就會(huì)發(fā)生非彈性碰撞，汞原子將從電子的能量中吸收相當(dāng)于E2—E1的那一份，使自己從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而多余的部分仍留給電子。設(shè)使電子具有E2—E1能量所需加速電場(chǎng)的電位差為U0，則eu0=E2—E1(2)式中：U0為汞原子的第一激發(fā)電位(或中肯電位)，是本實(shí)驗(yàn)要測(cè)的物理量。實(shí)驗(yàn)方法是，在充汞的F—H管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓UG2K使電子加速。第一柵極對(duì)電子加速起緩沖作用，避免加速電壓過(guò)高時(shí)將馳損傷。在板極P和G2間加反向拒斥電壓UpG2。當(dāng)電子通過(guò)KG2空間，如果具有較大的能量(三eUpG2)就能沖過(guò)反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)到板極形成板流，被微電流計(jì)pA檢測(cè)出來(lái)。如果電子在KG2空間因與汞原子碰撞，部分能量給了汞原子，使其激發(fā)，本身所剩能量太小，以致通過(guò)柵極后不足以克服拒斥電場(chǎng)而折回，通過(guò)電流計(jì)pA的電流就將顯著減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使柵極電壓UG2K由零逐漸增加，觀測(cè)pA表的板流指示，就會(huì)得出如圖2所示Ip?UG2K關(guān)系曲線。它反映了汞原子在KG2空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。當(dāng)UG2K逐漸增加時(shí)，電子在加速過(guò)程中能量也逐漸增大，但電壓在初升階段，大部分電子達(dá)不到激發(fā)汞原子的動(dòng)能，與汞原子只是發(fā)生彈性碰撞，基本上不損失能量，于是穿過(guò)柵極到達(dá)板極，形成的板流Ip隨UG2K的增加而增大，如曲線的oa段。當(dāng)UG2K接近和達(dá)到汞原子的第一激發(fā)電位U0時(shí)，電子在柵極附近與汞原子相碰撞，使汞原子獲得能量后從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。碰撞使電子損失了大部分動(dòng)能，即使穿過(guò)柵極，也會(huì)因不能克服反向拒斥電場(chǎng)而折回柵極。所以Ip顯著減小，如曲線的ab段。當(dāng)UG2K超過(guò)汞原子第一激發(fā)電位，電子在到達(dá)柵極以前就可能與汞原子發(fā)生非彈性碰撞，然后繼續(xù)獲得加速，到達(dá)柵極時(shí)積累起穿過(guò)拒斥電場(chǎng)的能量而到達(dá)板極，使電流回升(曲線的be段)。直到柵壓UG2K接近二倍汞原子的第一激發(fā)電位(2U0)時(shí)，電子在KG2間又會(huì)因兩次與汞原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥電場(chǎng)，使板流第二次下降(曲線的ed段)。同理，凡(弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)(3張)3)處，Ip都會(huì)下跌，形成規(guī)則起伏變化的Ip?UG2K曲線。而相鄰兩次板流Ip下降所對(duì)應(yīng)的柵極電壓之差，就是汞原子的第一激發(fā)電位U0。處于第一激發(fā)態(tài)的汞原子經(jīng)歷極短時(shí)間就會(huì)返回基態(tài)，這時(shí)應(yīng)有相當(dāng)于eU0的能量以電磁波的形式輻射出來(lái)。由式(2)得eUO二hv二h?c/入(4)式中：e為真空中的光速；入為輻射光波的波長(zhǎng)。利用光譜儀從F—H管可以分析出這條波長(zhǎng)入=253.7(nm)的紫外線。附：幾種常見(jiàn)元素的第一激發(fā)電勢(shì)(U0)[2]元素鈉(Na)鉀(K)鋰(Li)鎂(Mg)汞(Hg)氦(He)氖(U0/V2.121.631.843.24.921.218.注意事項(xiàng)：接通電源，如圖所示，設(shè)置好弗蘭克-赫茲管的參數(shù)，V二2.00,V二2.00,VF(V)G1K(V)二1.4&VG2P(V)二9.14加速電壓12K(V)可以從0調(diào)到100；調(diào)節(jié)加速電壓旋鈕，逐漸加大電壓，并記錄下此時(shí)對(duì)應(yīng)的加速電壓12K(V)和電流P(10nA)P(10nA)。問(wèn)題探討：當(dāng)內(nèi)容1中溫度條件滿足時(shí),記錄的IP-VG2K曲線應(yīng)具有什么特征？影響此曲線的因素是哪些？為什么溫度低時(shí)充汞F-H管的1p很大？實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2(2)中取不同的燈絲電壓時(shí)，曲線IP-VG2K應(yīng)有何變化？為什么？實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2(3)中取加熱爐的幾個(gè)不同溫度時(shí)，曲線Ip-VG