弗蘭克赫茲實驗報告
弗蘭克赫茲實驗報告
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弗蘭克赫茲實驗報告1
姓名：xxx學號：xxxxxxxxxx 班級：本碩xxx班
實驗日期：xxx年10 月13日
夫蘭克-赫茲實驗
【實驗目的】
1、測量氬原子的第一激發電勢，證明原子能級的存在，從而加深對量子化概念的認識。
2、加深對熱電子發射的理解，學習將電子與原子碰撞微觀過程與宏觀物理量相結合的實驗設計方法。
【歷史背景】
1911年，盧瑟福根據α粒子散射實驗，提出了原子核模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說運用到原子有核模型，建立了與經典理論相違背的兩個重要概念：原子定態能級和能級躍遷概念。電子在能級之間遷躍時伴隨電磁波的吸收和發射，電磁波頻率的大小取決於原子所處兩定態能級間的能量差，並滿足普朗克頻率定則。隨著英國物理學家埃萬斯(E.J.Evans)對光譜的研究，玻爾理論被確立。
1914年，德國科學家夫蘭克和他的助手赫茲採用慢電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法(與光譜研究相獨立)，簡單而巧妙地直接證實了原子能級的存在，並且實現了對原子的可控激發。
1925年，由於他二人的卓越貢獻，他們獲得了當年的諾貝爾物理學獎。夫蘭克-赫茲實驗至今仍是探索原子內部結構的主要手段之一。所以，在近代物理實驗中，仍把它作為傳統的經典實驗。
【實驗原理】
根據玻爾的原子理論，原子只能處於一系列不連續的穩定狀態之中，其中每一種狀態相應於一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)，這些能量值稱為能級。最低能級所對應的狀態稱為基態，其它高能級所對應的態稱為激發態。
當原子從一個穩定狀態過渡到另一個穩定狀態時就會吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定於原子所處兩定態能級間的能量差，並滿足普朗克頻率選擇定則：
( h為普朗克常數)
本實驗中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實現，並滿足能量選擇定則：
ev=E-E(1) 110
E為第一激發能量(第一激發態是距基態最近的一個能態)，E為基態能量，ev為該原子第一激發能。 式(1)中，101實驗原理如圖(1)所示：在充氬的夫蘭克—赫茲管中，電子由陰極K發出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在極板A和第二柵極G2之間可設定減速電壓VG2A。
注意：第一柵極G1和陰極K之間的加速電壓VG1K約2V，用於消除空間電荷對發射電子的影響。
當燈絲加熱時，陰極被燈絲灼熱而發射電子，電子在G1和G2間的電場作用下被加速而取得越來越大的能量，但在起始階段，由於電壓VG2K較低，電子的能量較小，即使在運動過程中，它與原子相碰撞(彈性碰撞)的能量交換非常小，此時可認為它們之間沒有能量交換。這樣，穿過第二柵極的電子所形成的電流IA隨第二柵極電壓VG2K的增加而增加。
當VG2K達到氬原子的第一激發電位時，電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞(此時產生非彈性碰撞)。電子把從加速電場中獲得的`全部能量傳遞給氬原子，使氬原子從基態激發到第一激發態，而電子本身由於把全部能量傳遞給了氬原子，它即使穿過了第二柵極，也不能克服反向拒斥電壓而被折回第二柵極。所以陽極電流IA將顯著減小。氬原子在第一激發態不穩定，會躍遷到激發態，同時以光量子形式向外輻射能量。以後隨著第二柵極電壓VG2K的增加，電子的能量也隨之增加，與氬原子相碰撞後還留下足夠的能量，這就可以克服拒斥電壓的作用力而到達陽極A，這時電流又開始上升，直到VG2K是2倍氬原子的第一激發電位時，電子在G2和K之間又會因第二次非彈性碰撞而失去能量，因而又造成了第二次陽極電流IA的下降，這種能量轉移隨著加速電壓的增加而呈週期性的變化。
若以VG2K為橫座標，以陽極電流值IA為縱座標就可以得到譜峰曲線，兩相鄰谷點(或峰尖)間的加速電壓值，即為氬原子的第一激發電位值。
這個實驗說明了夫蘭克—赫茲管內的電子緩慢的與氬原子碰撞，能使原子從低能級被激發到高能級，透過測量氬的第一激發電位值(13.1V是一個定值，即吸收和發射的能量是完全確定的，不連續的)，也就是說明了原子內部存在不連續的能級，即波爾原子能級的存在。
【實驗儀器】
夫蘭克—赫茲實驗儀(含夫蘭克-赫茲管、微電流放大器等)微機等。
【實驗步驟】
1，撥動電源開關，接通電源，點亮數碼管，將手動—自動切換開關，換至“手動”位置，逆時針方向旋轉“掃描幅度調節”旋鈕到最小位置，預熱三分鐘後開始做實驗。
2，將電壓分檔切換開關撥到“5V”擋，旋轉“5V”調節旋鈕，使電壓讀數為2V。這時陰極至第一柵極電壓VG1K為2V。
3，將電壓分檔切換開關撥到“15V”擋，旋轉“15V”調節旋鈕，使電壓讀數為7.5V。這時陽極至第二柵極電壓VG2A(拒斥電壓)為7.5V。
4，將電壓分檔切換開關撥到“100V”擋，旋轉“100V”調節旋鈕，使電壓讀數為0V。這時陽極至第二柵極電壓VG2A(加速電壓)為0V。
5，將電流顯示選擇波段開關切換到10 A擋，並調節調零旋鈕使電流顯示指示為零。
6，將將手動—自動切換開關，換至“手動”位置，旋轉加速電壓旋鈕VG2A，同時觀察電流表，電壓表的示數變化，並根據電流表的數值大小調節好“電流顯示選擇”檔位，隨著(加速電壓)的增加，電流表的值出現週期性峰值和谷值，記錄相應的電壓、電流值，以輸出電流為縱座標，電壓為橫座標，作出譜峰曲線。
【注意事項】
1，實驗中(手動檔位)電壓加到60V以後，要注意電流輸出指示，當電流表指示突然驟增，應立即減小電壓，以免管子損壞。
2，實驗過程中如果要改變第一柵極與陰極和第二柵極與陰極之間的電壓及燈絲電壓時，要將0—100V旋鈕逆時針旋到底，在改變以上電壓值。
3，本實驗燈絲電壓分別可以設為3V、3.5V、4V、4.5V、5V、5.5V、6.3V，可以在不同的燈絲電壓下重複上述實驗。如果發現波形上端切頂，則陽極輸出電流過大，引起放大器失真，因減小燈絲電壓。
【資料記錄及處理】
以輸出電流為縱座標，電壓為橫座標，作出譜峰曲線。
相鄰峰—峰之間的電位差：
U1=42.6-31.1=11.5
U2=54.3-42.6=11.7
平均值：
U=(U1+U2)/2
=(11.5+11.7)/2=11.6V
相鄰谷—谷之間的電位差：
U3=37-24.9=12.1
U4=48.1-37=11.1
平均值：
U=(U3+U4)/2
=(12.1+11.1)/2=11.6V
則本實驗測得氬原子第一激發電位為11.6V。
【思考題及討論】
1，第一激發電位的物理含義是什麼?有沒有第二激發電位?
答：第一激發電位：如初始能量為零的電子在電位差為U0 的加速電場中運動，則電子可獲得的能量為 eU0;如果加速電壓U0恰好使電子能量 eU0 等於原子的臨界能量，即 eU0=E2—E1，則 U0稱為第一激發電位，或臨界電位。
第二激發電位：電子碰撞原子使其從基態到第二激發態所需的最低能量叫第二激發電位。
怎樣測第二激發電位：加速電壓 Ug1k和 U2A都是標準引數，不能改變，而要測第二激發電位需要使電子獲得能量，必須增大 Ug1k。
2.夫蘭克—赫茲管中還能充什麼其它氣體，為什麼?
答：汞蒸氣或其他稀有氣體。因為汞是單原子分子，結構簡單，而且在常溫下是液 態，只要改變溫度就能大幅度改變汞原子的密度，同時還由於汞的原子量大，電 子與其原子碰撞時，能量損失極小。
3、什麼是能級?玻爾的能級躍遷理論是如何描述的?
答：在玻爾的原子模型中，原子是由原子核和核外電子所組成，原子核 位於原子的中心，電子沿著以核為中心的各種不同直徑的軌道運動。在一 定軌道上運動的電子，具有對應的能量，軌道不同，能量的大小也不相同。 這些與軌道相聯絡、大小不連續的能量構成了能級。 當原子狀態改變時，伴隨著能量的變化。若原子從低能級En 躍遷到高 能級Em，則原子需吸收一定的能量，該能量的大小為△E：
△E=Em-En
若電子從高能級Em 躍遷到低能級En，則原子將放出能量△E。
4，為什麼 IG2A-UG2K 曲線上的各谷點電流隨 UG2K 的增大而增大?
答：電子與汞原子的碰撞有一定的機率，總會有一些電子逃避了碰撞， 穿過柵極而到達板極。 隨著 UG2K 的增大， 這些電子的能量增大， 因此在 IG2A -UG2K 曲線上的各谷點電流也隨著增大。
5，本實驗的誤差來源有哪些?
答：1、由於預熱不足，使測量值產生誤差;
2、在實驗時，由於電壓的步差不可能連續，故測量的峰值會有一定的誤差;3、儀器本身存在一定的誤差。