弗蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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

2、夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)原理(如圖1所示)，陰極k，板極a，g1 、g2分別為第一、第二柵極。k-g1-g2加正向電壓，為電子提供能量。的作用主要是消除空間電荷對(duì)陰極電子發(fā)射的影響，提高發(fā)射效率。g2-a加反向電壓，形成拒斥電場(chǎng)。電子從k發(fā)出，在k-g2區(qū)間獲得能量，在g2-a區(qū)間損失能量。如果電子進(jìn)入g2-a區(qū)域時(shí)動(dòng)能大于或等于e，就能到達(dá)板極形成板極電流i.電子在不同區(qū)間的情況：1. k-g1區(qū)間 電子迅速被電場(chǎng)加速而獲得能量。2. g1-g2區(qū)間 電子繼續(xù)從電場(chǎng)獲得能量并不斷與氬原子碰撞。當(dāng)其能量小于氬原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級(jí)差dee2-e1 時(shí)，氬原子基本不吸收電子的能量，碰撞屬于彈性碰撞。

3、當(dāng)電子的能量達(dá)到de，則可能在碰撞中被氬原子吸收這部分能量，這時(shí)的碰撞屬于非彈性碰撞。de稱為臨界能量。3. g2-a區(qū)間 電子受阻，被拒斥電場(chǎng)吸收能量。若電子進(jìn)入此區(qū)間時(shí)的能量小于eu g2a則不能達(dá)到板極。圖2弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)i曲線a b c i (na)o u1 u2 u3 u4 u5 u6 u7由此可見(jiàn)，若eug2knde則電子在進(jìn)入g2-a區(qū)域之前可能n次被氬原子碰撞而損失能量。板極電流i隨加速電壓變化曲線就形成n個(gè)峰值，如圖2所示。相鄰峰值之間的電壓差du稱為氬原子的第一激發(fā)電位。氬原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的能級(jí)差：de= edu 3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟1 正確連接電路；2 啟動(dòng)預(yù)熱

4、；3 手動(dòng)測(cè)量；4. 調(diào)節(jié)電壓，紀(jì)錄數(shù)據(jù)；5. 繪制 曲線 ；6. 數(shù)據(jù)處理。ug2k0.511.522.533.544.555.566.577.588.599.510ia00000000000000000000ug2k10.51111.51212.51313.51414.51515.51616.51717.51818.51919.520ia00000000000000.10.30.60.81.11.41.6ug2k20.52121.52222.52323.52424.52525.52626.52727.52828.52929.530ia1.822.22.42.6333.13.23.33.43

5、.43.43.33.232.92.62.42.3ug2k30.53131.53232.53333.53434.53535.53636.53737.53838.53939.540ia2.22.42.733.43.84.34.75.25.55.75.9665.85.65.14.74.23.6ug2k40.54141.54242.54343.54444.54545.54646.54747.54848.54949.55032.42.11.81.92.333.74.65.36.16.87.27.788.187.77.26.6ug2k50.55151.55252.55353.55454.55555.556

6、56.55757.55858.55959.560ia5.84.93.92.92.21.61.21.31.82.63.64.85.96.97.98.69.29.79.99.9ug2k60.56161.56262.56363.56464.56565.56666.56767.56868.56969.570ia9.69.28.57.66.65.44.33.12.11.41.1234.15.46.888.98.99.9ug2k70.57171.57272.57373.57474.57575.57676.57777.57878.57979.580ia10.410.911.211.311.110.710.1

7、9.28.16.95.74.43.32.31.922.63.54.55.8ug2k80.58181.58282.58383.58484.58585.58686.58787.58888.58989.590ia7.18.59.410.511.311.912.312.612.612.311.911.210.49.48.37.15.84.843.6ug2k90.59191.59292.59393.59494.59595.59696.59797.59898.59999.5100ia3.744.95.86.98.29.210.21111.912.613.113.513.613.513.312.812.21

8、1.310.4ug2k100.5101101.5102102.5103103.5104104.5105105.5106106.5107107.5108108.5109109.5110ia9.58.47.46.76.26.16.26.67.28.18.99.910.811.712.513.313.814.414.714.9ug2k110.5111111.5112112.5113113.5114114.5115115.5116116.5117117.5118118.5119119.5120ia14.814.714.213.713.112.311.510.810.19.79.39.29.39.610

9、10.611.31212.813.5 曲線數(shù)據(jù)處理：u1=26.5v u2=37.0v u3=48.5v u4=60.5vu5=71.5v u6=83.5v u7=96.0v u8=109.0用逐差法計(jì)算第一激發(fā)電位可得：uo=(u8-u4)+(u7-u3)+(u6-u2)+(u5-u1)/(4*4) =(109.0-60.5)+(96.0-48.5)+(83.5-37.0)+(71.5-26.5)/(4*4)=11.71875v11.7v4 思考題1. 能否用氫氣代替氬氣，為什么？答：不能；氫氣是雙原子分子，激發(fā)的能級(jí)是分子能級(jí)而非原子能級(jí)。 2. 為什么i-u曲線不會(huì)從原點(diǎn)開(kāi)始？ 答：電子

10、由熱陰極發(fā)出，剛開(kāi)始加速電壓主要用于消除陰極電子的散射的影響，后來(lái)電子加速，使其具有了較大的能量沖過(guò)反向拒斥電場(chǎng)而到達(dá)板極形成板流，并為微電流計(jì)所檢驗(yàn)出來(lái)，故曲線不是從原點(diǎn)開(kāi)始的。3. 為什么t不會(huì)降到零？答：隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場(chǎng)到達(dá)板極，這時(shí)電流又開(kāi)始上升，不致下降到零。4. 為什么i的下降不是陡然的？答：因?yàn)閗極發(fā)出的熱電子能量時(shí)服從麥克斯韋統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，因此極電流下降不是陡然的。5. 在f-h實(shí)驗(yàn)中，得到的i-u曲線為什么呈周期性變化？答：當(dāng)g2k間的電壓達(dá)到氬原子的第一激發(fā)電位u0時(shí)電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞，將自己從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量給了氬原子，即使穿過(guò)了第二柵極也不能克服反向拒斥電場(chǎng)而被駁回第二柵極，所以，板極電流講顯著減小。隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子想碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)到板極a，這時(shí)電流又開(kāi)始上升，直到g2k間的電壓是二倍的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在ug2k間又會(huì)因第二次碰撞而失去能量，因而又會(huì)造成第二次板極電流的下降，同理，凡ug2k之間電壓滿足：ug2k=nu0(n=1,2,3.)時(shí)，板極電流ia都會(huì)相