實(shí)驗(yàn)報(bào)告弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容

1、弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容弗蘭克 -赫茲實(shí)驗(yàn)為能級(jí)的存在提供了直接的證據(jù)，對(duì)玻爾的原 子理論是一個(gè)有力支持， 那么，下面是給大家整理收集的弗蘭克赫茲 實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容，供大家閱讀參考。弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容 1儀器弗蘭克-赫茲管（簡(jiǎn)稱F-H管）、加熱爐、溫控裝置、F-H管電源組、 掃描電源和微電流放大器、微機(jī) X-Y記錄儀。F-H管是特別的充汞四極管，它由陰極、第一柵極、第二柵極及 板極組成。為了使F-H管內(nèi)保持一定的汞蒸氣飽和蒸氣壓，實(shí)驗(yàn)時(shí)要 把F-H管置于控溫加熱爐內(nèi)。加熱爐的溫度由控溫裝置設(shè)定和控制。 爐溫高時(shí)，F(xiàn)-H管內(nèi)汞的飽和蒸氣壓高，平均自由程較小，電子碰撞 汞原子的概率高， 一個(gè)電子在兩

2、次與汞原子碰撞的間隔內(nèi)不會(huì)因柵極 加速電壓作用而積累較高的能量。溫度低時(shí)，管內(nèi)汞蒸氣壓較低，平 均自由程較大，因而電子在兩次碰撞間隔內(nèi)有可能積累較高的能量， 受高能量的電子轟擊， 就可能引起汞原子電離， 使管內(nèi)出現(xiàn)輝光放電 現(xiàn)象。輝光放電會(huì)降低管子的使用壽命，實(shí)驗(yàn)中要注意防止。F-H管電源組用來(lái)提供F-H管各極所需的工作電壓。其中包括燈 絲電壓UF,直流1V5V連續(xù)可調(diào)；第一柵極電壓UG1,直流05V連 續(xù)可調(diào);第二柵極電壓UG2,直流015V連續(xù)可調(diào)。掃描電源和微電流放大器，提供090V的手動(dòng)可調(diào)直流電壓或自 動(dòng)慢掃描輸出鋸齒波電壓，作為 F-H管的加速電壓，供手動(dòng)測(cè)量或函數(shù)記錄儀測(cè)量。微電

3、流放大器用來(lái)檢測(cè) F-H 管的板流，其測(cè)量范圍為10八-8A、10八-7A、10八-6A 三擋。微機(jī)X-Y記錄儀是基于微機(jī)的集數(shù)據(jù)采集分析和結(jié)果顯示為一體 的儀器。供自動(dòng)慢掃描測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)采集、圖像顯示及結(jié)果分析用。原理玻爾的原子理論指出 :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)；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

4、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> 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

5、 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)將陰極損傷。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（ 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

6、，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IpUG2K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，

7、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 (3) 處， Ip 都會(huì)下跌，形成規(guī)則起伏變化的 IpUG2K 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

8、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eU0=hu;=h c/ambda;(4)式中:c為真空中的光速;ambda;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)ambda;=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)元素鈉(Na)鉀(K)鋰(Li)鎂(Mg)汞(Hg)氦(He)氖（Ne）U0/V2.121.631.843.24.921.218.6實(shí)驗(yàn)要求1）測(cè)繪F-H管lpUG2K曲線，確定汞原子的第一激發(fā)電位（ 1 ）加熱爐加熱控溫。 將溫度計(jì)棒插入爐頂小孔， 溫度計(jì)棒上

9、有一 固定夾用來(lái)調(diào)節(jié)此棒插入爐中的深度， 固定夾的位置已調(diào)整好， 溫度 計(jì)棒插入小孔即可。溫度計(jì)棒尾端電纜線連接到 " 傳感器 "專用插頭 上，將此傳感器插頭插入控溫儀后面板專用插座上。接通控溫電源， 調(diào)節(jié)控溫旋鈕，設(shè)定加熱溫度（本實(shí)驗(yàn)約180C），讓加熱爐升溫30min, 待溫控繼電器跳變時(shí) （指示燈同時(shí)跳變 ）已達(dá)到預(yù)定的爐溫。（2）測(cè)量F-H管的IpUG2K曲線。實(shí)驗(yàn)儀的整體連接可參考圖 3, 將電源部分的UF調(diào)節(jié)電位器、掃描電源部分的"手動(dòng)調(diào)節(jié)"電位器旋 鈕旋至最小 （逆時(shí)針?lè)较?）。掃描選擇置于 "手動(dòng)"擋。微電流放大器量

10、程可置于10-7A或10-8A擋（對(duì)充汞管）。待爐溫到達(dá)預(yù)定溫度后，接 通兩臺(tái)儀器電源。根據(jù)提供的F-H管參考工作電壓數(shù)據(jù)，分別調(diào)節(jié)好UF、UG1、UG2 預(yù)熱 35min(a) 手動(dòng)工作方式測(cè)量。緩慢調(diào)節(jié)"手動(dòng)調(diào)節(jié)”電位器，增大加速電 壓，并注意觀察微電流放大器出現(xiàn)的峰谷電流信號(hào)。加速電壓達(dá)到 50V60V時(shí)約有10個(gè)峰出現(xiàn)。在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)加速電壓加到較大 時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電流表突然大幅度量程過(guò)載， 應(yīng)立即將加速電壓減少到零， 然后檢查燈絲電壓 是否偏大 ，或適 當(dāng) 減小燈絲電壓 (每次減小 0.1V0.2 V為宜)再進(jìn)行一次全過(guò)程測(cè)量。逐點(diǎn)測(cè)量lpUG2K的變化關(guān) 系，然后，取適當(dāng)比

11、例在毫米方格紙上作出IpUG2K曲線。從曲線上 確定出Ip的各個(gè)峰值和谷值所對(duì)應(yīng)的兩組 UG2K值，把兩組數(shù)據(jù)分別 用逐差法求出汞原子的第一激發(fā)電位 U0的兩個(gè)值再取平均，并與標(biāo) 準(zhǔn)值4.9V比較，求出百分差。若在全過(guò)程測(cè)量中，電流表指示偏小， 可適當(dāng)加大燈絲電壓(每次增大0.1V0.2V為宜)(b) 自動(dòng)掃描方式測(cè)量。將"手動(dòng)調(diào)節(jié)"電位器旋到零，函數(shù)記錄儀 先不通電，調(diào)節(jié) "自動(dòng)上限 "電位器，設(shè)定鋸齒波加速電壓的上限值。 可先將電位器逆時(shí)針?lè)较蛐阶钚。?此時(shí)輸出鋸齒波加速電壓的上限 值約為50V，然后將"掃描選擇"開(kāi)關(guān)撥到&qu

12、ot;自動(dòng)"位置。當(dāng)輸出鋸齒波 加速電壓時(shí)， 從電流表觀察到峰谷信號(hào)。 鋸齒波掃描電壓達(dá)到上限值 后，會(huì)重新回復(fù)零，開(kāi)始一次新的掃描。在數(shù)字電壓表、電流表上觀 察到正常的自動(dòng)掃描及信號(hào)后，可采用函數(shù)記錄儀記錄。記錄儀的 X 輸入量程可置于5V/cm檔，Y輸入量程可按電流信號(hào)大小來(lái)選擇，一 般可先置于 0.1V/cm 檔。開(kāi)啟記錄儀，即可繪出完整的 Ip 變化曲線。注意事項(xiàng)(1)實(shí)驗(yàn)裝置使用 220V 交流單相電源，電源進(jìn)線中的地線要接觸 良好，以防干擾和確保安全。(2) 函數(shù)記錄儀的X輸入負(fù)端不能與丫輸入的負(fù)端連接，也不能與 記錄儀的地線(erp;)連接，否則要損壞儀器。(3) 實(shí)驗(yàn)

13、過(guò)程中若產(chǎn)生電離擊穿 (即電流表嚴(yán)重過(guò)載現(xiàn)象 )時(shí)，要立 即將加速電壓減少到零。以免損壞管子。(4) 加熱爐外殼溫度較高， 移動(dòng)時(shí)注意用把手， 導(dǎo)線也不要靠在爐 壁上，以免灼傷和塑料線軟化。弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容 2實(shí)驗(yàn)題目：弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)器材：F-H實(shí)驗(yàn)管、恒溫加熱電爐、F-H實(shí)驗(yàn)裝置、示波器。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 熟悉實(shí)驗(yàn)裝置，掌握實(shí)驗(yàn)條件。該實(shí)驗(yàn)裝置由F-H管、恒溫加熱電爐及F-H實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成，其裝 置結(jié)構(gòu)如下圖所示：C:Docume nts and Sett in gsAdmi nistrator.EUPMS_1.00桌面 3.jpgF-V管中有足夠的液態(tài)汞，保證在使用溫度范圍內(nèi)管內(nèi)汞

14、蒸氣總 處于飽和狀態(tài)。一般溫度在 100 rdm;C至250 rdm;G 并且由于Hg對(duì) 溫度的靈敏度高，所以溫度要調(diào)好，不能讓它變化太大。燈絲電壓控 制著陰極K發(fā)射電子的密度和能量分布，其變化直接影響曲線的形狀 和每個(gè)峰的位置，是一個(gè)關(guān)鍵的條件。2測(cè)量Hg的第一激發(fā)電位1）起動(dòng)恒溫控制器，加熱地F-H管，使?fàn)t溫穩(wěn)定在157 rdm;C,并 選擇合適的燈絲電壓， VG1K=2.5V， VG2p=1.5V， Vf=1.3V。2）改變VG2k的值，并記錄下對(duì)應(yīng)的Ip值上侮隔0.2V記錄一個(gè) 數(shù)據(jù)）。3）作數(shù)據(jù)處理，作出對(duì)應(yīng)的lp-VG2k圖，并求出Hg的第一激發(fā)電 位 （用逐差法 ）。3測(cè)Ar原子

15、的第一激發(fā)電位。1）調(diào)節(jié)好相關(guān)的數(shù)據(jù)： Vp=8.36V， VG1=1.62V， VG2k=0100V， Vf=2.64V;2）將相關(guān)檔位調(diào)到自由檔位，在示波器上觀看得到的Ip-VG2k圖， 是否符合實(shí)驗(yàn)要求 （有六個(gè)以上的波峰 ）。再將相關(guān)檔位調(diào)到手動(dòng)檔位。3）手動(dòng)改變VG2k的值，并記錄下對(duì)應(yīng)的Ip值上（每隔0.05V記錄 一個(gè)數(shù)據(jù) ）。4）作數(shù)據(jù)處理，作出對(duì)應(yīng)的Ip-VG2k圖，并求出Hg的第一激發(fā)電 位 （用逐差法 ）。4.得出結(jié)論。原始數(shù)據(jù) :1. Vf=1.3V VG1K=2.5V VG2p=1.5V T=157rdm;C求汞原子的第一激發(fā)電位的數(shù)據(jù)表大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 -弗蘭克赫茲

16、實(shí)驗(yàn) - zhou198865 - zhou198865 的博客2. Vp=8.36V VG1=1.62V VG2k=0100V Vf=2.64V求 Ar 原子的第一激發(fā)電位的數(shù)據(jù)表大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 -弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) - zhou198865 - zhou198865 的博客數(shù)據(jù)處理：1. 求 Hg 原子的第一激發(fā)電位。將在實(shí)驗(yàn)中記錄下的數(shù)據(jù)，以點(diǎn)的形式描在 x-y 坐標(biāo)上，并用平 滑曲線連接后得到的圖形為：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) -zhou198865 - zhou198865的博客得到的七個(gè)峰值(Ip),對(duì)應(yīng)的UG2K依次為：U1=7.0V , U2=11.6V , U3=16.

17、0V , U4=21.0V , U5=25.8 V, U6=30.6V , U7=35.6V .設(shè)Ux為Hg的第一激發(fā)電位，則有下列式子(逐差法):4*Ux1=U5-U1=25.8V-7.0V=18.8V, Ux1=4.7V;4*Ux2=U6-U2=30.6V-11.6V=19.0V, Ux2=4.8V;4*Ux3=U7-U3=35.6V-16.0V=19.6V, Ux3=4.9V則 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 -弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) - zhou198865 - zhou198865 的博客=大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) - zhou198865 - zhou198865的 博客=4.8V.不確定度分析

18、：uA=大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)-zhou198865 - zhou198865 的博客u0.68=1.32*uA=1.32*0.06V=0.08V.貝S Ux二大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)-zhou198865 -zhou198865的博客大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)-zhou198865 -zhou198865的博客u0.68=4.8大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)- zhou198865 - zhou198865的博客 0.08V.2. 求 Ar 原子的第一激發(fā)電位。將在實(shí)驗(yàn)中記錄下的數(shù)據(jù)，以點(diǎn)的形式描在 x-y坐標(biāo)上，并用平 滑曲線連接后得到的圖形為：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

19、-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) - zhou198865 - zhou198865的 博客得到的六個(gè)峰值(Ip)，對(duì)應(yīng)的UG2K依次為：5= 3.00V , U2=4.15V , U3=5.35V , U4=6.60V , U5=7.90V, U6=9.20V .設(shè)Ux為Hg的第一激發(fā)電位，則有下列式子(逐差法)：3*Ux1=U4-U1=6.60V-3.00V=3.60V, Ux1=1.20V;3*Ux2=U5-U2=7.90V-4.15V=3.75V, Ux2=1.25V;3*Ux3=U6-U3=9.20V-5.35V=3.85V, Ux3=1.28V則大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 -弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) - zhou19

20、8865 - zhou198865 的博客=大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) - zhou198865 - zhou198865 的博客=1.24V.不確定度分析：uA=大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)-zhou198865 - zhou198865 的博客u0.68=1.32*uA=1.32*0.023V=0.030V.貝S Ux二大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)-zhou198865 -zhou198865的博客大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)-zhou198865 -zhou198865的博客u0.68=1.24大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)- zhou198865 - zhou198865的博客 0.030V.結(jié)論：由此可得，Hg的第一激發(fā)電位UxHg=4.8大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào) 告-弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) -zhou198865 - zhou198865的博客0.08V,而Ar 原子的第一激發(fā)電位為 UxAr=1.24大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-弗蘭克赫茲實(shí) 驗(yàn)-zhou198865 - zhou198865的博客 0.030V。思考題：說(shuō)明溫度對(duì)充汞F-H管lp-VG2k曲線影響的物理機(jī)制。答：，在一定溫度下（一般在發(fā)100 rdm;C至250 rdm;C）,才可得 到合適壓強(qiáng)的汞蒸氣， 這時(shí)汞原子的密度也是合適的。 汞蒸氣對(duì)溫度 非常敏感，如果溫度不在合適范圍