大學(xué)物理-夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

-1--1-大連理工大學(xué)成績教師簽字院〔系〕 材料學(xué)院 專業(yè) 班級(jí)姓 名 學(xué)號(hào) 試驗(yàn)臺(tái)號(hào)成績教師簽字試驗(yàn)時(shí)間 年 月 日，第周，星期 第 節(jié)試驗(yàn)名稱 夫蘭克-赫茲試驗(yàn)教師評(píng)語試驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、測量氬原子的第一激發(fā)電位；2、證明原子能級(jí)的存在，加深對(duì)原子構(gòu)造的了解；3、了解在微觀世界中，電子與原子的碰撞幾率。主要儀器設(shè)備：DH4507智能型弗蘭克-赫茲試驗(yàn)儀，BY4320G示波器I微電流儀I微電流儀AUGA2G2子U氬原子GK2G1UGKKA，G1、G2分別為第一、其次柵極。K-G1

-G2

加正向電壓，為電子供給能量。UGK1

的作用主要是 電G2-A加反向電壓，形成拒斥電場。電子從K發(fā)出，在K-G2

G

區(qū)間損失能G

-A區(qū)域時(shí)動(dòng)能大于或等于eU2GA22

，就能到I.電子在不同區(qū)間的狀況：

燈絲電壓1弗蘭克-赫茲試驗(yàn)原理圖K-G1

區(qū)間 電子快速被電場加速而獲得能量。G1-G2區(qū)間 基態(tài)的能級(jí)差E＝ 2 1EE稱為臨界能量。G-A區(qū)間電子受阻，被拒斥電場吸取能量。假設(shè)電子進(jìn)入此區(qū)間時(shí)的能量小于eU 則不能到達(dá)板2 A極。< e由此可見假設(shè)eU E，則電子帶著< eG2K G2KG-A進(jìn)入 區(qū)域。隨著U 的增加，電流IG-A2 G2KOa段。e G假設(shè)U ＝e GG2K 2不過它馬上開頭消耗能量了連續(xù)增大U 電子能量G2K被吸取的概率漸漸增加，板極電流漸漸下降〔如圖2中ab段。

I(nA)abcO U U U U U U U1 2 3 4 5 6

UGK

(V)連續(xù)增大U 電子碰撞后的剩余能量也增加到G2K達(dá)板極的電子又會(huì)漸漸增多〔2bc段。

圖2弗蘭克-赫茲試驗(yàn)U ～I(xiàn)曲線G2KGK 2假設(shè)eU >nE則電子在進(jìn)入G-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IGK 22電壓UGK2

n2所示。相鄰峰值之間的電壓差U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)差為E=eU。步驟與操作方法：將面板上的四對(duì)插座〔燈絲電壓，UGK2

：其次柵壓，UGK1

：第一柵壓，UGA2

：拒斥電壓〕板上的接線圖與電子管測試架上的相應(yīng)插座用專用連接線連好。微電流檢測器已在內(nèi)部連好。將儀CH1輸入相連。翻開儀器電源和示波器電源?！白詣?dòng)/手動(dòng)”擋開機(jī)時(shí)位于“手動(dòng)”位置，此時(shí)“手動(dòng)燈點(diǎn)亮。儀器上電流檔共有10、10A10A和1010且之后試驗(yàn)中保持檔位不變。按電子管測試架銘牌上給出的燈絲電壓值、第一柵壓U

K

、拒斥電壓U

A

I預(yù)置相應(yīng)值。更改電壓時(shí)，按下相應(yīng)電壓鍵，指示燈點(diǎn)亮，按下“∧”鍵或“∨”鍵，更改預(yù)置值，假設(shè)按下“<”鍵或“>”鍵,可更改預(yù)置值的位數(shù)，向前或向后移動(dòng)一位。同時(shí)按下“set”鍵和“>”鍵，則燈絲電壓，第一柵壓，其次柵壓和拒斥電壓等四組電壓按預(yù)置-2---4-值加載到電子管上，此時(shí)“加載”〔說明四組電壓均完成加載〕10分鐘按下“自動(dòng)/手動(dòng)”鍵，此時(shí)“自動(dòng)”燈點(diǎn)亮。此時(shí)儀器進(jìn)入自動(dòng)測量狀態(tài)。在自動(dòng)測量狀態(tài)下，其次085V完畢，期間要留意觀看示波器曲線峰值位置，并記錄相應(yīng)的其次柵壓值。5分鐘。085V1VI和UGK2

〔在示波器所觀看的曲A線峰值位置四周每0.2V記錄相應(yīng)I 和UAGK2

10〕set鍵+<和示波器電源。數(shù)據(jù)記錄與處理：自動(dòng)測量峰值電壓數(shù)據(jù)：n123456UG2K(V)13.826.639.252.265.880.2手動(dòng)測量的峰值電流I和峰值電壓UG2K數(shù)據(jù)：U (V)G2K0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.011.812.012.2I(10-9A)0.00.00.00.00.00.00.00.00.010.025.331.725.335.935.3U (V)G2K12.412.612.813.013.213.413.613.814.014.214.414.614.815.016.0I(10-9A)35.635.635.735.435.135.735.636.435.735.936.135.135.534.334.2U (V)G2K17.018.019.020.021.022.023.024.024.624.825.025.225.425.625.8I(10-9A)30.019.96.00.00.09.624.639.447.849.449.849.850.149.249.5U (V)G2K26.026.226.426.626.827.027.227.427.628.029.030.031.032.033.0I(10-9A)48.749.148.548.647.646.345.745.143.341.039.027.08.40.02.0U (V)G2K34.035.036.037.037.237.437.637.838.038.238.438.638.839.039.2I(10-9A)13.629.644.453.059.059.760.860.260.759.659.360.560.458.658.6U (V)G2K39.439.639.840.040.241.042.043.044.045.046.047.048.049.050.0I(10-9A)57.357.855.053.451.951.441.827.411.712.519.631.143.555.863.3U (V)G2K50.250.450.650.851.051.251.451.651.852.052.252.452.652.853.0I(10-9A)68.770.570.070.570.869.670.170.270.168.966.967.066.165.360.4U (V)G2K53.254.055.056.057.058.059.060.061.062.063.063.864.064.264.4I(10-9A)60.354.850.041.235.134.039.047.357.166.672.980.983.082.283.9U (V)G2K64.664.865.065.265.465.665.866.066.266.466.666.867.068.069.0I(10-9A)82.783.183.482.382.782.281.481.278.678.576.376.373.771.767.7U (V)G2K70.071.072.073.074.075.076.077.078.078.278.478.678.879.079.2I(10-9A)63.662.463.067.574.680.587.793.799.5101.6104.6103.0105.2104.4103.3UG2K(V)79.479.679.880.080.280.480.680.881.081.282.083.084.085.0I(10-9A)103.9103.9103.9104.3100.6103.1101.5103.0102.3100.8100.997.999.598.1結(jié)果與分析：Matlab6.5作為計(jì)算工具，來擬合U-I曲線，以下為擬合曲線的程序代碼將數(shù)據(jù)輸入Matlab：UG2KX，I為應(yīng)變量Y，輸入數(shù)據(jù)：x=[0.01.02.0 3.04.0 5.06.0 7.08.0 9.010.011.011.812.012.212.412.612.813.013.213.413.613.814.014.214.414.614.815.016.017.018.019.020.021.022.023.024.024.624.825.025.225.425.625.826.026.226.426.626.827.027.227.427.628.029.030.031.032.033.034.035.036.037.037.237.437.637.838.038.238.438.638.839.039.239.439.639.840.040.241.042.043.044.045.046.047.048.049.050.050.250.450.650.851.051.251.451.651.852.052.252.452.652.853.053.254.055.056.057.058.059.060.061.062.063.063.864.064.264.464.664.865.065.265.465.665.866.066.266.466.666.867.068.069.070.071.072.073.074.075.076.077.078.078.278.478.678.879.079.279.479.679.880.080.280.480.680.881.081.282.083.084.085.0]y=[0.00.00.00.00.00.00.00.00.010.025.331.725.335.935.335.635.635.735.435.135.735.636.435.735.936.135.135.534.334.230.019.96.00.00.09.624.639.447.849.449.849.850.149.249.548.749.148.548.647.646.345.745.143.341.039.027.08.40.02.013.629.644.453.059.059.760.860.260.759.659.360.560.458.658.657.357.855.053.451.951.441.827.411.712.519.631.143.555.863.368.770.570.070.570.869.670.170.270.168.966.967.066.165.360.460.354.850.041.235.134.039.047.357.166.672.980.983.082.283.982.783.183.482.382.782.281.481.278.678.576.376.373.771.767.763.662.463.067.574.680.587.793.799.5101.6104.6103.0105.2104.4103.3103.9103.9103.9104.3100.6103.1101.5103.0102.3100.8100.997.999.598.1]fx，y28次多項(xiàng)式擬合時(shí)，得到的函數(shù)圖f=polyfit(x,y,28);然后繪制函數(shù)圖像；b=polyval(f,x); plot(x,y,”o”,x,b);gridon可以得到函數(shù)圖像〔見下頁圖，可見除去開頭由于過多電流零值，線擬合消滅壞點(diǎn)以外，其余局部的曲線均能夠正確地反映電流隨電壓值增加而發(fā)生的變化。-6---7-然后依據(jù)圖像和已測得的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到實(shí)際手動(dòng)測量中得到的電流峰值及其對(duì)應(yīng)的電壓值如下n123456UG2K(V)14.425.838.051.665.078.8I(10-9A)36.148.560.770.283.4105.2然后使用MLS處理這一組數(shù)據(jù)，以得到氬原子的第一激發(fā)電位；設(shè)其滿足這樣的線性關(guān)系U anU，其中以n為自變量，ΔU為斜率，a為截距；計(jì)算過程如下：G2K(xx)yb

i(xx)2i

i12.9486， aybx0.28((yabx)2in2iy(x(xx)2ib(x)2(x)2(xx)2 ni1a y

0.96095，0.229710.8946又對(duì)于任意一標(biāo)準(zhǔn)差與擴(kuò)展不確定度的關(guān)系有，UzA

tsvz

2.57*szab,即電流截距與第一激發(fā)電位ΔUa(02)*10-9A, Ub(12.90.6)V爭論、建議與質(zhì)疑：I的谷值并不為零，而且谷值依次沿U 軸上升，如何解釋？G2K電子被加速后所帶的能量為E，設(shè)氬原子的第一激發(fā)能為UEnU，則電子會(huì)帶著剩余的E-nUI的谷值不會(huì)為零。G2KE越來越大，而依據(jù)原子物理學(xué)相關(guān)理論，電子所含有的能量越大，與氬原子撞擊的概率就越小，故有的電子可能只與氬原子發(fā)生一次碰撞、甚至不發(fā)生碰撞，便攜帶剩余的能量撞擊到A極板上形成電流，一方面未發(fā)生碰撞的電子越來越多，同時(shí)電子剩余的能量也越來越大，所以當(dāng)加速電壓G2K不斷上升時(shí)，所以曲線上的電流谷值也不斷上升。.第一峰值所對(duì)應(yīng)的電壓是否等于第一激發(fā)電位？緣由是什么?我認(rèn)為并不等于第一激發(fā)電位，電流峰值表示，擊中極板的電子攜帶有最大的剩余能量，如第一個(gè)峰值表示，電子所攜帶的能量，比氬原子的第一激發(fā)態(tài)的能量略少一點(diǎn)，所以電子的能量不能被氬寫出氬原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級(jí)差。Ee*Ue*12.9V12.9eV對(duì)本試驗(yàn)的改進(jìn)與建議。試驗(yàn)中覺察，本試驗(yàn)的原理和實(shí)際操作并不簡單，但是