弗兰克赫兹实验报告

　　弗兰克赫兹实验报告1

　　姓名：xxx学号：xxxxxxxxxx 班级：本硕xxx班

　　实验日期：xxx年10 月13日

　　夫兰克-赫兹实验

　　【实验目的】

　　1、测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，从而加深对量子化概念的认识。

　　2、加深对热电子发射的理解，学习将电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

　　【历史背景】

　　1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核模型。1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯(E.J.Evans)对光谱的研究，玻尔理论被确立。

　　1914年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发。

　　1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖。夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。

　　【实验原理】

　　根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)，这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。

　　当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率选择定则：

　　( h为普朗克常数)

　　本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则：

　　ev=E-E(1) 110

　　E为第一激发能量(第一激发态是距基态最近的一个能态)，E为基态能量，ev为该原子第一激发能。 式(1)中，101实验原理如图(1)所示：在充氩的夫兰克—赫兹管中，电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在极板A和第二栅极G2之间可设置减速电压VG2A。

　　注意：第一栅极G1和阴极K之间的加速电压VG1K约2V，用于消除空间电荷对发射电子的影响。

　　当灯丝加热时，阴极被灯丝灼热而发射电子，电子在G1和G2间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量，但在起始阶段，由于电压VG2K较低，电子的能量较小，即使在运动过程中，它与原子相碰撞(弹性碰撞)的能量交换非常小，此时可认为它们之间没有能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的电流IA随第二栅极电压VG2K的增加而增加。

　　当VG2K达到氩原子的第一激发电位时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氩原子，使氩原子从基态激发到第一激发态，而电子本身由于把全部能量传递给了氩原子，它即使穿过了第二栅极，也不能克服反向拒斥电压而被折回第二栅极。所以阳极电流IA将显著减小。氩原子在第一激发态不稳定，会跃迁到激发态，同时以光量子形式向外辐射能量。以后随着第二栅极电压VG2K的增加，电子的能量也随之增加，与氩原子相碰撞后还留下足够的能量，这就可以克服拒斥电压的作用力而到达阳极A，这时电流又开始上升，直到VG2K是2倍氩原子的第一激发电位时，电子在G2和K之间又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，因而又造成了第二次阳极电流IA的下降，这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。

　　若以VG2K为横坐标，以阳极电流值IA为纵坐标就可以得到谱峰曲线，两相邻谷点(或峰尖)间的加速电压值，即为氩原子的第一激发电位值。

　　这个实验说明了夫兰克—赫兹管内的电子缓慢的与氩原子碰撞，能使原子从低能级被激发到高能级，通过测量氩的第一激发电位值(13.1V是一个定值，即吸收和发射的能量是完全确定的，不连续的)，也就是说明了原子内部存在不连续的能级，即波尔原子能级的存在。

　　【实验仪器】

　　夫兰克—赫兹实验仪(含夫兰克-赫兹管、微电流放大器等)微机等。

　　【实验步骤】

　　1，拨动电源开关，接通电源，点亮数码管，将手动—自动切换开关，换至“手动”位置，逆时针方向旋转“扫描幅度调节”旋钮到最小位置，预热三分钟后开始做实验。

　　2，将电压分档切换开关拨到“5V”挡，旋转“5V”调节旋钮，使电压读数为2V。这时阴极至第一栅极电压VG1K为2V。

　　3，将电压分档切换开关拨到“15V”挡，旋转“15V”调节旋钮，使电压读数为7.5V。这时阳极至第二栅极电压VG2A(拒斥电压)为7.5V。

　　4，将电压分档切换开关拨到“100V”挡，旋转“100V”调节旋钮，使电压读数为0V。这时阳极至第二栅极电压VG2A(加速电压)为0V。

　　5，将电流显示选择波段开关切换到10 A挡，并调节调零旋钮使电流显示指示为零。

　　6，将将手动—自动切换开关，换至“手动”位置，旋转加速电压旋钮VG2A，同时观察电流表，电压表的示数变化，并根据电流表的数值大小调节好“电流显示选择”档位，随着(加速电压)的增加，电流表的值出现周期性峰值和谷值，记录相应的电压、电流值，以输出电流为纵坐标，电压为横坐标，作出谱峰曲线。

　　【注意事项】

　　1，实验中(手动档位)电压加到60V以后，要注意电流输出指示，当电流表指示突然骤增，应立即减小电压，以免管子损坏。

　　2，实验过程中如果要改变第一栅极与阴极和第二栅极与阴极之间的电压及灯丝电压时，要将0—100V旋钮逆时针旋到底，在改变以上电压值。

　　3，本实验灯丝电压分别可以设为3V、3.5V、4V、4.5V、5V、5.5V、6.3V，可以在不同的灯丝电压下重复上述实验。如果发现波形上端切顶，则阳极输出电流过大，引起放大器失真，因减小灯丝电压。

　　【数据记录及处理】

　　以输出电流为纵坐标，电压为横坐标，作出谱峰曲线。

　　相邻峰—峰之间的电位差：

　　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

　　相邻谷—谷之间的电位差：

　　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

　　则本实验测得氩原子第一激发电位为11.6V。

　　【思考题及讨论】

　　1，第一激发电位的物理含义是什么?有没有第二激发电位?

　　答：第一激发电位：如初始能量为零的电子在电位差为U0 的加速电场中运动，则电子可获得的能量为 eU0;如果加速电压U0恰好使电子能量 eU0 等于原子的临界能量，即 eU0=E2—E1，则 U0称为第一激发电位，或临界电位。

　　第二激发电位：电子碰撞原子使其从基态到第二激发态所需的最低能量叫第二激发电位。

　　怎样测第二激发电位：加速电压 Ug1k和 U2A都是标准参数，不能改变，而要测第二激发电位需要使电子获得能量，必须增大 Ug1k。

　　2.夫兰克—赫兹管中还能充什么其它气体，为什么?

　　答：汞蒸气或其他稀有气体。因为汞是单原子分子，结构简单，而且在常温下是液 态，只要改变温度就能大幅度改变汞原子的密度，同时还由于汞的原子量大，电 子与其原子碰撞时，能量损失极小。

　　3、什么是能级?玻尔的能级跃迁理论是如何描述的?

　　答：在玻尔的原子模型中，原子是由原子核和核外电子所组成，原子核 位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。在一 定轨道上运动的电子，具有对应的能量，轨道不同，能量的大小也不相同。 这些与轨道相联系、大小不连续的能量构成了能级。 当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级En 跃迁到高 能级Em，则原子需吸收一定的能量，该能量的大小为△E：

　　△E=Em-En

　　若电子从高能级Em 跃迁到低能级En，则原子将放出能量△E。

　　4，为什么 IG2A-UG2K 曲线上的各谷点电流随 UG2K 的增大而增大?

　　答：电子与汞原子的碰撞有一定的几率，总会有一些电子逃避了碰撞， 穿过栅极而到达板极。 随着 UG2K 的增大， 这些电子的能量增大， 因此在 IG2A -UG2K 曲线上的各谷点电流也随着增大。

　　5，本实验的误差来源有哪些?