夫蘭克赫茲實驗報告

1、夫蘭克赫茲實驗【實驗背景】 1913年丹麥物理學家波爾提出波爾原子模型理論，認為有原子能級存在。光譜學的研究證明了原子能級的存在。1914年，德國物理學家夫蘭克和赫茲對勒納用來測量電離電位的實驗裝置作了改進，他們采取慢電子(幾個到幾十個電子伏特)與單元素氣體原子碰撞的辦法，著重觀察碰撞后電子發(fā)生什么變化(勒納則觀察碰撞后離子流的情況)。通過實驗測量，電子和原子碰撞時會交換某一定值的能量，且可以使原子從低能級激發(fā)到高能級，獨立證明了原子波爾理論的正確性，由此兩人獲得了1925年諾貝爾物理學獎?！菊坎扇÷娮优c稀薄氣體原子碰撞的辦法，使原子從低能級激發(fā)到高能級。通過測量電子和原子碰撞時交換某一

2、定值的能量，觀察測量到了汞的激發(fā)電位和電離電位，證明了原子內(nèi)部量子化能級的存在獨立證明了原子波爾理論的正確性，【關鍵詞】 原子能級 夫蘭克赫茲實驗 激發(fā)電位【正文】一、實驗目的1. 通過測定汞原子的第一激發(fā)電位，證明原子能級的存在。2. 學習測量微電流的方法。二、實驗儀器電腦化XY 記錄儀，F(xiàn)HII 型夫蘭克赫茲實驗儀三、基本知識：1、原子能級根據(jù)玻爾理論，原子只能處在一些不連續(xù)的定態(tài)中，每一定態(tài)相應于一定的能量，常稱為能級。受激原子在能級間躍遷時，要吸收或發(fā)射一定頻率的光子。然而，原子若與具有一定能量的電子發(fā)生碰撞，也可使原子從低能級躍遷到高能級。夫蘭克赫茲實驗正是利用電子與原子的碰撞實現(xiàn)這

3、種躍遷的。電子在加速電壓的作用下獲得能量，表現(xiàn)為電子的動能，當時，即可實現(xiàn)躍遷。若原子吸收能量。從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，則稱為第一激發(fā)電位或中肯電位。2、波爾原子理論： （1）電子在原子中，可以在一些特定的圓軌道上運動而不輻射電磁波，這時原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（簡稱定態(tài)），并具有一定的能量。 （2）射線的發(fā)射和吸收總是與原子從一個穩(wěn)定態(tài)向另一個穩(wěn)定態(tài)的躍遷相聯(lián)系，發(fā)射是向低能態(tài)躍遷，吸收是向高能躍遷。 （3）原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)，發(fā)射或者吸收輻射，輻射頻率與兩個定態(tài)的能量之間滿足以下關系：h=Em-En。其中h是普朗克常量，Em、En是原子在兩個定態(tài)的能量。圖3四、實驗原理圖2 圖4實驗原

4、理圖如圖2和圖3所示，充汞的夫蘭克-赫茲管，其陰極K被燈絲H加熱，發(fā)射電子。電子在K 和柵極G 之間被加速電壓加速而獲得能量，并與汞原子碰撞，柵極與板極A之間加反向拒斥電壓，只有穿過柵極后仍有較大動能的電子，才能克服拒斥電場作用，到達板極形成板流。圖四是根據(jù)實驗得出的曲線示意圖，每當時都會下降，曲線上兩個相鄰的峰（谷）的間距即為原子第一激發(fā)電位。 五、實驗步驟1、準備工作：連接好各組工作電源線，仔細檢查，確定無誤。打開電源，預熱。檢查開機后的初始狀態(tài)，確認儀器工作正常。2、手動測試：將儀器設置為“手動”工作狀態(tài)。設定電流量程，燈絲電壓，第一加速電壓，拒斥電壓的值。按下“啟動”鍵和“VG2K”檔

5、位鍵，按步長0.5V的電壓值調(diào)節(jié)VG2K。通過電腦觀察極板電流IA隨電壓UG2K的變化情況。3、自動測試：將儀器設置為“自動”工作狀態(tài)。啟動電腦，在電腦上設置相應的參數(shù)，進行測試。六、實驗結果與數(shù)據(jù)分析1、燈絲電壓2.5V，第一柵壓1.5V，拒斥電壓8.0V，測量步距0.5V，時間步距0。5s。（1）手動測試：最大值編號123456電壓（V）22334455.56779.5利用最小二乘法處理數(shù)據(jù)得到U0=11.5V相對誤差為e1=0.95%（2）聯(lián)機顯示自動：最大值編號123456電壓（V）2263344.155.467.379.4利用最小二乘法處理數(shù)據(jù)得到U0=11.36V相對誤差為e1=2

6、.15%（3）聯(lián)機測試自動：最大值編號123456電壓（V）22334455.56779.5利用最小二乘法處理數(shù)據(jù)得到U0=11.5V相對誤差為e1=0.95%綜上U1U2U3U平均U理論值11.5V11.36V11.5V11.45V11.61VU平均=11.45V相對誤差：e=1.38%2、探究燈絲電壓（其他參數(shù)不變）對實驗曲線的影響：（1）燈絲電壓2.4V：（2）燈絲電壓2.6V：分析：隨著燈絲電壓增大，實驗曲線向上移。當燈絲電壓增大時，燈絲溫度升高，陰極發(fā)射熱電子的能力提高，單位時間內(nèi)陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，電子平均初動能增加，從而使單位時間內(nèi)到達板極的電子數(shù)也增加，即板極電流增大，從而出

7、現(xiàn)實驗曲線上移的現(xiàn)象。3、探究拒斥電壓（其他參數(shù)不變）對實驗曲線的影響： （1）拒斥電壓7.5V： （2）拒斥電壓8.5V：分析：拒斥電壓增大時，實驗曲線下移。因為拒斥電壓增加，則電子碰撞極板所需的動能就變大，故本來能打到極板的一些電子此時不能打到極板，即打到極板的電子數(shù)目減少，因而極板電流減小。4、探究第一柵壓電壓（其他參數(shù)不變）對實驗曲線的影響： （1）第一柵壓1.3V：（2）第一柵壓1.7V： 分析：隨著第一柵壓的增大，實驗曲線上移。因為第一柵壓即加速電壓增大，動能增大，打到極板的電子數(shù)增加，因而極板電流增大。 5、探究溫度（其他參數(shù)不變）對實驗曲線的影響： （1）溫度25 （2）溫度3

8、0 分析：溫度增加，實驗曲線上移。溫度升高，陰極發(fā)射熱電子的能力提高，單位時間內(nèi)陰極發(fā)射的電子數(shù)增多，電子平均初動能增加，從而使單位時間內(nèi)到達板極的電子數(shù)也增加，即板極電流增大，從而出現(xiàn)實驗曲線上移的現(xiàn)象?？偨Y： 設汞原子的基態(tài)能量為E1，第一激發(fā)態(tài)能量為E2，當動能為Ek的電子和汞原子相撞時，若Ek<E2-E1，電子不能使汞原子激發(fā)，電子的動能沒有損失，所以，電子與汞原子碰撞是彈性碰撞。此時，極板電流隨加速電壓而增加。若Ek>E2-E1，汞原子可以從電子那里得到能量，使汞原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，所以，電子與汞原子碰撞是非彈性碰撞。此時，由于電子把其動能中的全部或大部分傳遞給了汞原

9、子，電子的動能急劇減少，極板電流急劇降低，出現(xiàn)波谷。七、實驗體會 1、本實驗，我和同組成員并沒有拘泥于實驗本身，而是進行了多項探究實驗，研究了VF，VG1K，VG2K，溫度分別變化時，對IAVG2K曲線的影響。實驗結果在上文中已有敘述。 2、對課后思考題的一些認識：那些能量等于汞原子激發(fā)整數(shù)倍的電子與原子碰撞時也會損失能量，這些電子有幾倍的能量，就能使幾個原子發(fā)生躍遷，就像進行了多次碰撞一樣。 3、汞的激發(fā)電位是4.9V，但是VG2K要加到10V左右才會出現(xiàn)第一個峰。是因為陰極和柵極之間有接觸電勢的存在，VG2K中的一部分抵消了接觸電勢。 4、實驗曲線中極板電流不是突然改變，每個峰和谷都有圓滑的過度，是因為電子與原子碰撞有一定的概率，符合統(tǒng)計規(guī)律