夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)背景】 1913年丹麥物理學(xué)家波爾提出波爾原子模型理論，認(rèn)為有原子能級存在。光譜學(xué)的研究證明了原子能級的存在。1914年，德國物理學(xué)家夫蘭克和赫茲對勒納用來測量電離電位的實(shí)驗(yàn)裝置作了改進(jìn)，他們采取慢電子(幾個(gè)到幾十個(gè)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(shí)驗(yàn)測量，電子和原子碰撞時(shí)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(dú)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(xué)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(shí)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(dú)立證明了原子波爾理論的正確性，【關(guān)鍵詞】 原子能級 夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) 激發(fā)電位【正文】一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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(xué)習(xí)測量微電流的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器電腦化XY 記錄儀，F(xiàn)HII 型夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)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(yīng)于一定的能量，常稱為能級。受激原子在能級間躍遷時(shí)，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(shí)驗(yàn)正是利用電子與原子的碰撞實(shí)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(dāng)時(shí)，即可實(shí)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(yùn)動而不輻射電磁波，這時(shí)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(gè)穩(wěn)定態(tài)向另一個(gè)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(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)，發(fā)射或者吸收輻射，輻射頻率與兩個(gè)定態(tài)的能量之間滿足以下關(guān)系：h=Em-En。其中h是普朗克常量，Em、En是原子在兩個(gè)定態(tài)的能量。圖3四、實(shí)驗(yàn)原理圖2 圖4實(shí)驗(yàn)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(dá)板極形成板流。圖四是根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的曲線示意圖，每當(dāng)時(shí)都會下降，曲線上兩個(gè)相鄰的峰（谷）的間距即為原子第一激發(fā)電位。 五、實(shí)驗(yàn)步驟1、準(zhǔn)備工作：連接好各組工作電源線，仔細(xì)檢查，確定無誤。打開電源，預(yù)熱。檢查開機(jī)后的初始狀態(tài)，確認(rèn)儀器工作正常。2、手動測試：將儀器設(shè)置為“手動”工作狀態(tài)。設(shè)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(shè)置為“自動”工作狀態(tài)。啟動電腦，在電腦上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)行測試。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)曲線向上移。當(dāng)燈絲電壓增大時(shí)，燈絲溫度升高，陰極發(fā)射熱電子的能力提高，單位時(shí)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(shí)間內(nèi)到達(dá)板極的電子數(shù)也增加，即板極電流增大，從而出

7、現(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線上移的現(xiàn)象。3、探究拒斥電壓（其他參數(shù)不變）對實(shí)驗(yàn)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(shí)，實(shí)驗(yàn)曲線下移。因?yàn)榫艹怆妷涸黾?，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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)曲線上移。因?yàn)榈谝粬艍杭醇铀匐妷涸龃?，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(shí)驗(yàn)曲線的影響： （1）溫度25 （2）溫度3

8、0 分析：溫度增加，實(shí)驗(yàn)曲線上移。溫度升高，陰極發(fā)射熱電子的能力提高，單位時(shí)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(shí)間內(nèi)到達(dá)板極的電子數(shù)也增加，即板極電流增大，從而出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線上移的現(xiàn)象?？偨Y(jié)： 設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E1，第一激發(fā)態(tài)能量為E2，當(dāng)動能為Ek的電子和汞原子相撞時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)驗(yàn)體會 1、本實(shí)驗(yàn)，我和同組成員并沒有拘泥于實(shí)驗(yàn)本身，而是進(jìn)行了多項(xiàng)探究實(shí)驗(yàn)，研究了VF，VG1K，VG2K，溫度分別變化時(shí)，對IAVG2K曲線的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在上文中已有敘述。 2、對課后思考題的一些認(rèn)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(shí)也會損失能量，這些電子有幾倍的能量，就能使幾個(gè)原子發(fā)生躍遷，就像進(jìn)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(gè)峰。是因?yàn)殛帢O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(shí)驗(yàn)曲線中極板電流不是突然改變，每個(gè)峰和谷都有圓滑的過度，是因?yàn)殡娮优c原子碰撞有一定的概率，符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律