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弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn) 第一激發(fā)電勢的測定論文學(xué)校:寧夏大學(xué) 學(xué)院:-專業(yè):-學(xué)號:-姓名:-指導(dǎo)老師:- 時(shí)間:2013年12月18日弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)摘要:本實(shí)驗(yàn)通過改變燈絲電壓,觀察H-F曲線得變化情況,得到定性得結(jié)論。通過自己得觀察和理解分析,激發(fā)對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣,啟發(fā)創(chuàng)新思想。同時(shí)也更深入的理解了本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵。關(guān)鍵詞:弗蘭克 赫茲 氬第一激發(fā)態(tài) 近代物理實(shí)驗(yàn)1 引言 1913 年丹麥物理學(xué)家玻爾(NBohr)提出并建立了玻爾原子模型理論,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,原子光譜中的每根譜線都相應(yīng)表示了原子從某一較高能態(tài)向另一較低能態(tài)躍遷時(shí)的輻射。然而,原子能級的存在除了可由光譜研究推得外,1914 年德國物理學(xué)家夫蘭克和赫茲用慢電子與稀薄氣體原子碰撞的方法,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)交換某一定值的能量,觀察測量到了氬的激發(fā)電位和電離電位,直接證明了原子內(nèi)部量子化能級的存在,也證明了原子發(fā)生躍遷時(shí)吸收和發(fā)射能量是完全正確的、不連續(xù)的,為早一年玻爾發(fā)表的原子結(jié)構(gòu)理論的假說提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。他們因此而分享了1925 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其實(shí)驗(yàn)方法至今仍是探索原子結(jié)構(gòu)的重要手段之一。玻爾因其原子模型理論獲 1922 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),而夫蘭克與赫茲的實(shí)驗(yàn)也于 1925年獲此大獎(jiǎng)。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)與玻爾原子理論在物理學(xué)的發(fā)展史中起到了重要的作用。2 試驗(yàn)原理(1)、玻爾原子理論 原子只能較長久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)(稱為定態(tài))。這些定態(tài)的能量(稱為能級)是不連續(xù)分布的,其中能級最低的狀態(tài)稱為基態(tài)。原子在兩個(gè)定態(tài)之間發(fā)生躍遷時(shí),要吸收或發(fā)射一定的能量,該能量等于兩個(gè)定態(tài)之間的能量差E=E2-E1 當(dāng)電子與原子發(fā)生碰撞時(shí),碰撞前后整體能量保持恒定: 12mv2+12MV2=12mv2+12MV2+E其中,m、M分別為電子、原子的質(zhì)量,v、v分別為電子碰撞前、后的速度,V、V分別為原子碰撞前后的速度。E為原子內(nèi)能的變化通常,電子的能量通過在靜電場中的加速獲得,即12mv2=eU原子的動能(熱運(yùn)動)由溫度決定。由于mM,碰撞前后原子的動能幾乎不發(fā)生改變。因此,電子動能的變化直接反映了原子內(nèi)能的變化。使原子從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)所需的對靜電子的最低加速電壓,稱為原子的第一激發(fā)電位。(2)夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的物理過程圖1 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理圖 圖中左側(cè)為夫蘭克-赫茲管(F-H管),它是一種密封的玻璃管,其中充有稀薄的原子量較大的氬或惰性氣體原子。在這里燈絲用來對陰極K加熱,使其發(fā)射熱 電子。燈絲電壓Ur越高,陰極K發(fā)射的電子流也就越大。第一柵極G1的主要作用是消除空間電荷對陰極電子發(fā)射的影響。柵極G1和陰極K之間的電壓通常只有幾伏。第二柵極G2的作用是在G2和K之間形成對電子加速的靜電場。由陰極K發(fā)射的絕大多數(shù)熱電子被柵極G1和G2所接收,并且其中被柵極G2接收的比例隨加速電壓UG2K的升高而增大。少量的發(fā)射電子穿過柵極G2達(dá)到極板P,形成板流IP。板流IP的大小由微電流測試儀進(jìn)行測量。在板極P和G2之間加有一反向拒斥電壓UG2P,它對電子減速,使經(jīng)過碰撞后動能非常低的電子折回并被柵極G2接受,從而起到調(diào)節(jié)板流IP大小的作用。 設(shè)氬原子的基態(tài)能量為E1,第一激發(fā)態(tài)能量為E2,且由熱陰極發(fā)射的電子初速度為零。受加速電場U2作用,電子到達(dá)柵極G2時(shí)所獲得的能量為E=eU2 ,具有這種能量的電子與氬原子發(fā)生碰撞。當(dāng)U2較低時(shí),電子能量eU2小于原子的激發(fā)能(即eU2eUG2P時(shí),電子又能到達(dá)板極,使板流IP回升。當(dāng)U2增大到2U0時(shí),電子經(jīng)第一次非彈性碰撞后的剩余能量足以使其與氬原子產(chǎn)生第二次非彈性碰撞,氬原子再次從電子中取得能量,能量交換的結(jié)果使IP再次下降。同理可知,U2繼續(xù)增大時(shí),電子會在第二柵極G2附近與氬原子發(fā)生第三次、第四次、非彈性碰撞,引起板流IP的相應(yīng)下跌??梢姡S著加速電壓U2的增加,板流IP會周期性地出現(xiàn)極大值和極小值,凡滿足加速電壓U2=nU0(n=1,2,3,)時(shí),板流IP都會相應(yīng)下跌,形成規(guī)則起伏的IP-U2特性曲線。曲線各峰值之間的等間隔規(guī)律表明:碰撞過程中電子有確定的能量傳遞給氬原子,而與相鄰的兩板流極大值(或極小值)所對應(yīng)的加速電壓的差值就是氬原子的第一激發(fā)電位U0 。它的公認(rèn)值為4.9V。 圖2 充氬F-H管的Ip-U2特性曲線 由圖2的IP-U2特性曲線可見,板流IP并不是突然下降的,其峰線有一定寬度。這是因?yàn)闊彡帢O所發(fā)射的電子具有初速,電子的初始能量不完全相同,服從一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,同時(shí)電子與原子的碰撞有一定的幾率,在大部分電子與氬原子碰撞而損失能量的時(shí)候,還會有部分電子不發(fā)生碰撞而到達(dá)板極。電子的能量越大,碰撞的幾率越小,因此,IP-U2特性曲線上各電流極小值會隨加速電壓U2的增大而增大。 實(shí)際測量中,由于F-H管的柵極與陰極的材料不同,會產(chǎn)生接觸電位差Va,這會使F-H曲線沿電壓軸平移。Va的大小和極性,取決于兩種金屬材料的逸出功之差: Va=(WG-Wk)/e 。 處于激發(fā)態(tài)的氬原子是不穩(wěn)定的,當(dāng)它跳回基態(tài)時(shí),將以光量子的形式釋放出能量eU0,相應(yīng)的光輻射波長為253.7nm(由eU0= h v及 /c=計(jì)算)??捎米贤夤庾V儀進(jìn)行觀測。 1914年夫蘭克和赫茲所用的是一支充氬的三極管,只有陰極、加速柵極和板極。1920夫蘭克對原裝置作了改進(jìn),使電子在加速區(qū)內(nèi)獲得高于4.9eV的能量,可測得氬原子的一系列量子態(tài),進(jìn)一步證實(shí)了原子內(nèi)部能量狀態(tài)的不連續(xù)性。 (3)實(shí)驗(yàn)儀器圖3是F-H實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置圖,其中右側(cè)為裝有F-H管的控溫加熱爐,左下為穩(wěn)壓電源,左上微電流測量放大器和掃描控制裝置。數(shù)據(jù)輸出可連接到函數(shù)記錄儀。 (1)穩(wěn)壓電源 可提供F-H管所需的燈絲電壓Uf,控制柵電壓U1,加速電壓U2及拒斥電壓UG2P ,實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)的選取范圍為: 燈絲電壓:03V,燈絲溫度對陰極的發(fā)射系數(shù)有很大影響,一般在2V左右就能發(fā)射足夠的電子流。 控制柵電壓:控制陰極發(fā)射的電子流的大小,一般取1V左右。 加速電壓:060V,取IP-U2特性曲線上610個(gè)峰即可。 拒斥電壓:0.52V(Hg管) (2)Y-X函數(shù)記錄儀 Y-X函數(shù)記錄儀用于描繪板流隨加速電壓的變化曲線。Y-X函數(shù)記錄儀與實(shí)驗(yàn)儀的連接示于圖4。 圖4 測量線路圖 4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測繪F-H管的板流IP與加速電壓U2的關(guān)系曲線(IP-UG2P特性曲線),測定氬原子的第一激發(fā)電位U0。 一、 手動測量 1) 按圖5所示的測量線路連接各儀器,并檢查、確認(rèn)連線正確。 2) 開啟控溫加熱爐電源,設(shè)定爐溫為150。加熱F-H管,紅燈亮?xí)r,爐溫達(dá)到設(shè)定溫度。 3) 開啟微電流測試儀電源,待爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后,根據(jù)給定的F-H管的工作參數(shù),設(shè)定燈絲電壓Uf,控制柵電壓U1,拒斥電壓UG2P(以整個(gè)曲線起伏較大為宜)。 4) 設(shè)置掃描方式為手動。手動調(diào)節(jié)加速電壓U2,緩慢地增加U2至60.0V,定性地觀察板流IP的起伏變化,粗測“峰”“谷”的位置,注意選擇微電流測試儀的量程,使IP的最大值不超過量程。若量程選在10-8檔,即表示滿刻度指示為1*10-8A, 其他檔量程以此類推。 5) 在粗測調(diào)整適宜的基礎(chǔ)上,從U2最小開始,逐點(diǎn)測量并記錄IP-U2對應(yīng)的數(shù)值。U2每改變0.5V記錄一次。在電流的峰、谷附近,宜每隔0.2V取值一次。 6) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),手工描繪IP-U2特性曲線,確定各峰位的電壓值Vn。 7) 確定氬原子的第一激發(fā)電位U0。峰位電壓值Vn與峰序數(shù)n的關(guān)系為: Vn=Va+nU0 .5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理表一:氬的第一激發(fā)曲線測量VG2K(V)IP(3*108A)VG2K(V)IP(3*108A)VG2K(V)IP(3*108A)VG2K(V)IP(3*108A)50266.2472.8687.160276.7484.9695.970286.8496.6705.180.1296.2507.8715.190.3305518.3725.8102313.6528.6737.1113.4322.1538.3748.4124.3331.2547.1759.8135341.1555.87610.5145.2352.1564.17711.1155.3364573.17811.2165.2375.8582.87911175387594.18010.3184.8397.6605.8819.7194407.7617.3828.8203417628.3838.2212.1425.8639.2848.1221.5434.2649.8858.6231.8442.6659.8243.2451.7669.2255461.6678.3VF=2.2V VG1K=2.10V VG2P=6.5V 實(shí)驗(yàn)室溫度:12.5 干度:12.66 實(shí)驗(yàn)結(jié)論.此實(shí)驗(yàn)事實(shí)可以證實(shí)玻爾的原子理論。通過實(shí)驗(yàn),可以了解弗蘭克和赫茲研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子間相互作用的思想和方法,了解電子與原子碰撞的微觀過程是怎樣與實(shí)驗(yàn)中的宏觀量相聯(lián)系,并用于研究原子內(nèi)部的能量狀態(tài)與能量交換的圍觀過程。如今已經(jīng)有了許多方法對影響實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行改進(jìn),我們在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程中將可能的能解決實(shí)驗(yàn)誤差的原因進(jìn)行解決達(dá)到物理學(xué)研究的重要意義。7 相對誤差 氬的第一激發(fā)電位精確值=11.57V 各峰值之差: v1=28-15=13v v2=40-28=
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