夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱(chēng)： 近代物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 夫蘭科赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告 學(xué)院： 理學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 物理學(xué)141班 學(xué)生姓名： 齊志榮 學(xué)號(hào)： 5502114012 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)大樓 座位號(hào)： 10 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 星期二下午13：50 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 了解弗蘭克-赫茲試驗(yàn)的原理和方法; 2、學(xué)習(xí)測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位的方法; 3、 證明原子能級(jí)的存在， 加強(qiáng)對(duì)能級(jí)概念的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理： 玻爾提出的原子理論指出: 原子只能較長(zhǎng)地停留在一些穩(wěn)定的狀態(tài)。 原子在這種狀態(tài)時(shí)， 不發(fā)射或吸收能量。 各定態(tài)有一定的能量， 其數(shù)值是彼此分隔得。 原子的能量不論通過(guò)什么方式改變， 它只

2、能從一個(gè)狀態(tài)躍遷代另一個(gè)狀態(tài)。 原子從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)而發(fā)射或吸收能量時(shí)， 輻射的頻率是一定的。 于是有如下關(guān)系: 式中， h 為普朗克常數(shù)。 為了使原子從低能級(jí)想高能級(jí)躍遷，可以通過(guò)具有一定能量的電子與燕子相碰撞進(jìn)行能量交換的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖 1 弗蘭克-赫茲管結(jié)構(gòu)圖 實(shí)驗(yàn)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(fā)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(shè)置減速電壓VG2A。注意：第一柵極G1和陰極K之間的加速電壓VG1K約2V，用于消除空間電荷對(duì)發(fā)射電子的影響。 當(dāng)燈絲加熱

3、時(shí)，陰極被燈絲灼熱而發(fā)射電子，電子在G1和G2間的電場(chǎng)作用下被加速而取得越來(lái)越大的能量，但在起始階段，由于電壓VG2K較低，電子的能量較小，即使在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它與原子相碰撞（彈性碰撞）的能量交換非常小，此時(shí)可認(rèn)為它們之間沒(méi)有能量交換。這樣，穿過(guò)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(dāng)VG2K達(dá)到氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞（此時(shí)產(chǎn)生非彈性碰撞）。電子把從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量傳遞給氬原子，使氬原子從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)，而電子本身由于把全部能量傳遞給了氬原子，它即使穿過(guò)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(yáng)極電流I

4、A將顯著減小。氬原子在第一激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)躍遷到激發(fā)態(tài)，同時(shí)以光量子形式向外輻射能量。以后隨著第二柵極電壓VG2K的增加，電子的能量也隨之增加，與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，這就可以克服拒斥電壓的作用力而到達(dá)陽(yáng)極A，這時(shí)電流又開(kāi)始上升，直到VG2K是2倍氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在G2和K之間又會(huì)因第二次非彈性碰撞而失去能量，因而又造成了第二次陽(yáng)極電流IA的下降，這種能量轉(zhuǎn)移隨著加速電壓的增加而呈周期性的變化。若以VG2K為橫坐標(biāo)，以陽(yáng)極電流值IA為縱坐標(biāo)就可以得到譜峰曲線，兩相鄰谷點(diǎn)（或峰尖）間的加速電壓值，即為氬原子的第一激發(fā)電位值。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了夫蘭克赫茲管內(nèi)的電子緩慢的與氬原子

5、碰撞，能使原子從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)，通過(guò)測(cè)量氬的第一激發(fā)電位值（13.1V是一個(gè)定值，即吸收和發(fā)射的能量是完全確定的，不連續(xù)的），也就是說(shuō)明了原子內(nèi)部存在不連續(xù)的能級(jí)，即波爾原子能級(jí)的存在。三、實(shí)驗(yàn)儀器：夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀（含夫蘭克-赫茲管、微電流放大器等）微機(jī)等四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟：1，撥動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，接通電源，點(diǎn)亮數(shù)碼管，將手動(dòng)自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，換至“手動(dòng)”位置，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)“掃描幅度調(diào)節(jié)”旋鈕到最小位置，預(yù)熱三分鐘后開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)。2，將電壓分檔切換開(kāi)關(guān)撥到“5V”擋，旋轉(zhuǎn)“5V”調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓讀數(shù)為2V。這時(shí)陰極至第一柵極電壓VG1K為2V。3，將電壓分檔切換開(kāi)關(guān)撥到“15V”擋，旋轉(zhuǎn)“15V

6、”調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓讀數(shù)為7.5V。這時(shí)陽(yáng)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(kāi)關(guān)撥到“100V”擋，旋轉(zhuǎn)“100V”調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓讀數(shù)為0V。這時(shí)陽(yáng)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(kāi)關(guān)切換到10 A擋，并調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使電流顯示指示為零。 6，將將手動(dòng)自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，換至“手動(dòng)”位置，旋轉(zhuǎn)加速電壓旋鈕VG2A，同時(shí)觀察電流表，電壓表的示數(shù)變化，并根據(jù)電流表的數(shù)值大小調(diào)節(jié)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(xiàn)周期性峰值和谷值，記錄相應(yīng)的電壓、電流值，以輸出電流為縱坐標(biāo)，電壓為橫坐標(biāo)，作出譜峰曲線?！咀⒁馐马?xiàng)

7、】1，實(shí)驗(yàn)中（手動(dòng)檔位）電壓加到60V以后，要注意電流輸出指示，當(dāng)電流表指示突然驟增，應(yīng)立即減小電壓，以免管子損壞。2，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)，要將0100V旋鈕逆時(shí)針旋到底，在改變以上電壓五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理： 【數(shù)據(jù)記錄及處理】I/10-9U/VI/10-9U/VI/10-9U/V0 1.0 63 29.4 25 46.0 0 2.0 65 29.6 14 47.7 1 11.5 71 30.5 19 47.1 2 12.7 68 31.0 43 48.0 5 13.9 61 31.9 76 49.1 9 14.8 45 32.9 87 49

8、.7 14 15.7 35 33.4 102 50.2 19 16.7 17 34.4 111 50.6 21 17.5 10 34.9 126 51.2 26 19.0 8 35.4 134 51.7 25 20.3 12 35.9 144 52.3 19 22.0 21 36.2 147 52.8 11 23.5 47 37.2 153 53.3 7 24.7 68 37.8 157 54.2 11 25.0 101 39.4 155 54.9 19 25.6 112 40.2 148 55.4 30 26.3 116 41.2 138 55.7 38 26.8 124 42.1 51 2

9、7.6 118 43.0 56 28.1 91 44.1 58 28.5 58 45.0 相鄰峰峰之間的電位差：U1=30.5-19.0=11.5 U2=54.2-42.1=12.1 平均值：U=（U1+U2）/2=(11.5+12.1)/2=11.8V則本實(shí)驗(yàn)測(cè)得氬原子第一激發(fā)電位為11.8V?！舅伎碱}及討論】1， 第一激發(fā)電位的物理含義是什么？有沒(méi)有第二激發(fā)電位？答：第一 激發(fā)電位 ：如初始能量為零的電子在電位差為 U0 的加速電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，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 等于原子的臨界 能量，即 eU0E2E1，則 U0 稱(chēng)為第一 激發(fā)電位 ，或

10、臨界電位。 第二 激發(fā)電位電子碰撞原子使其從基態(tài)到第二激發(fā)態(tài)所需的最低能量叫第二激發(fā)電 位。 怎樣測(cè)第二激發(fā)電位：加速電壓 Ug1k 和 U2A 都是標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，不能改變，而要測(cè)第二激 發(fā)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么其它氣體，為什么？答：汞蒸氣或其他稀有氣體。因?yàn)楣菃卧臃肿?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且在常溫下是液 態(tài)，只要改變溫度就能大幅度改變汞原子的密度，同時(shí)還由于汞的原子量大，電 子與其原子碰撞時(shí)，能量損失極小。3、什么是能級(jí)？玻爾的能級(jí)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 位于原子的中心，電子沿著以核為中心的各種不同直徑的軌道運(yùn)動(dòng)。在一 定軌道上運(yùn)動(dòng)的電子，具有對(duì)應(yīng)的能量，軌道不同，能量的大小也不相同。 這些與軌道相聯(lián)系、大小不連續(xù)的能量構(gòu)成了能級(jí)。 當(dāng)原子狀態(tài)改變時(shí)，伴隨著能量的變化。若原子從低能級(jí)n 躍遷到高 能級(jí)m，則原子需吸收一定的能量，該能量的大小為E： Emn 若電子從高能級(jí)m 躍遷到低能級(jí)n，則原子將放出能量E。4，為什么 IG2AUG2K 曲線上的各谷點(diǎn)電流隨 UG2K 的增大而增大？ 答：電子與汞原子的碰撞