弗蘭克赫茲 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)3-2夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室溫度：16.5C實(shí)驗(yàn)日期：2013-4-19【摘要】本實(shí)驗(yàn)采用夫蘭克（Frank）和赫茲（Hertz）于1914年使用的簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法，用慢電子轟擊稀薄氣體的原子，通過(guò)研究輸出電流和加速電壓的曲線關(guān)系，測(cè)量了氬原子和汞原子的第一激發(fā)電位，進(jìn)而證明了原子分立態(tài)的存在。實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小?！娟P(guān)鍵詞】碰撞，激發(fā)，夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)儀1914年，德國(guó)物理學(xué)家夫蘭克和赫茲對(duì)勒納用來(lái)測(cè)量電離電位的實(shí)驗(yàn)裝置作了改進(jìn)。他們采取慢電子（幾個(gè)到幾十個(gè)電子伏特）與單元素氣體原子碰撞的辦法，著重觀察碰撞后電子發(fā)生什么變化（勒納則觀察碰撞后離子流的情況）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，電子和原子碰撞時(shí)會(huì)交換某一定值的能量，且可以使原子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，獨(dú)立證明了原子波爾理論的正確性，由此獲得了1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)關(guān)于原子碰撞激發(fā)和測(cè)量的方法。?測(cè)量氬原子的第一激發(fā)電位。?通過(guò)對(duì)氬原子激發(fā)電位的測(cè)量證實(shí)原子能級(jí)的存在。二、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)波爾原子模型理論，原子一定軌道上的電子，具有一定的能量，當(dāng)同一原子的電子從低能量軌道躍遷到較高能量軌道時(shí)，就稱原子處于受激狀態(tài)。玻爾理論的前提是波爾提出的兩條基本假設(shè)：（1）定態(tài)假設(shè)。原子只能處在一些不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)中，其中每一狀態(tài)相應(yīng)于一定的能量值E.（i1,2,3,m,...,n,...）；（2）頻率定則。當(dāng)一個(gè)原i子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，就吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率的大小決定于原子所處兩定態(tài)之間的能量差，滿足：hv=E—Enm式中E代表較高能態(tài)，E代表較低能態(tài)，h為普朗克常數(shù)。nm當(dāng)電子與原子碰撞時(shí)，如果電子能量大于臨界能量，二者發(fā)生非彈性碰撞，電子把能量傳遞給原子，使原子從正常態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。假設(shè)初速為零的電子在電位差V的加速下具有激發(fā)速度v，則有：eV=—mv2=E—Eg2enm其中V為第一激發(fā)電位，即臨界電位，這是當(dāng)電子具有的能量恰好使原子從正常態(tài)躍g遷到第一激發(fā)態(tài)時(shí)的加速電壓。當(dāng)V<Vg時(shí)，電子與原子只能發(fā)生彈性碰撞，碰撞前后電子能量幾乎不變，只改變運(yùn)動(dòng)方向。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和裝置本實(shí)驗(yàn)有兩種實(shí)驗(yàn)方法：手動(dòng)測(cè)量和示波器測(cè)量，下面分別加以敘述。（一）手動(dòng)測(cè)量—.測(cè)量氬原子第一激發(fā)態(tài)—）圖一為夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)儀。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，切換“手動(dòng)”檔，微電流倍增開(kāi)關(guān)置于“—0-9”；2）調(diào)節(jié)燈絲電壓V、控制柵電壓V、拒斥電壓V至參考值；HG—KG2A3）旋轉(zhuǎn)第二柵極電壓V調(diào)節(jié)旋鈕，測(cè)定I—V曲線。使V緩慢增加，每G2KAG2KG2K增加IV，記錄相應(yīng)的I/直。A圖一2?測(cè)量汞原子第一激發(fā)態(tài)1）如圖二所示連接電路，加熱Hg至指定溫度（185°C）使Hg汽化；2）調(diào)節(jié)燈絲電壓V、控制柵電壓V、拒斥電壓V至參考值；HG1KG2A3）手動(dòng)工作方式粗測(cè)。緩慢調(diào)節(jié)“手動(dòng)調(diào)節(jié)”電位器，增大加速電壓，電流大小的變化即表明峰谷信號(hào)的變化（加速電壓達(dá)到50?60V時(shí)，約有十個(gè)峰出現(xiàn)）。圖二（二）示波器測(cè)量1）打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，切換“自動(dòng)”檔；2）調(diào)節(jié)燈絲電壓V、控制柵電壓V、拒斥電壓V至參考值，預(yù)熱十分鐘，HG1KG2A等帶波形穩(wěn)定后再測(cè)量；3）將儀器上的“同步信號(hào)”與示波器的“同步信號(hào)”相連,“Y”與示波器的“Y”相連?！癥增益”一般置于“0.1V”檔；“時(shí)基”一般置于“1ms”檔，此時(shí)示波器上顯示出夫蘭克—赫茲曲線；4）調(diào)節(jié)“實(shí)際微調(diào)”旋鈕，使一個(gè)掃描周期正好布滿示波器的10格，掃描電壓最大為120V,量出各峰值的水平距離（格數(shù)），乘以12V/格，即為各峰值對(duì)應(yīng)的VG2K值，用逐差法求出氮原子第一激發(fā)電位。四、數(shù)據(jù)處理和分析（一）手動(dòng)測(cè)量測(cè)量氬原子第一激發(fā)態(tài)緩慢增大V，每增大1V記錄數(shù)據(jù)，如表一。G2K表—!■■■■■1VIVIVIVIVIVG2KPG2KPG2KPG2KPG2KPG2KPj(V)(nA)(V)(nA)(V)(nA)(V)(nA)(V)(nA)(V)(nA)!ki1021304123613181721016712I022314233622082711027330233243426320836610379]4024314447643084601048515:0252945496541855110590i:”:602626464966538646106:93:70272147456760874510794hir80281748396864884910892|-9~02919492869658957109~89~h11010302450177063906411086ih:1103130511371579171111:84:120323552207249927711283hir1303338533373399380113h85|14[03440544474319481114881|r150354055527531957911593i

11673637565776399674116991~V7~i173730575777499769117104|hi|18233822585578589864118109|119]2639145950796699621191121|120j■I■I■■■■■■■■■■■■■■■■■28■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■40■■■■I■I■■■■■■■■■■■■■■146042■■■■■■■■■■■■■■■■■■■I■80■■■■■II■■■■■■■■■■■■■■70■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■I100■■■■IIII■■■■■■■■■■■■■63■■■■■■■■■■■■■■■■■■■I■120■■■■■■■■I■■■■■■■■■■■■1131■■■■■■■■■■■■■■■■■■I■■■用Origin作圖，得到氬原子的IV曲線，如圖三。AG2K圖三拾取多峰后得到如下數(shù)據(jù)，見(jiàn)表二，并線性擬合如圖四。表二峰值序號(hào)12345678峰值位置23.0875234.4069345.3531857.0457569.0493180.7418993.92714107.05021DD-BD-4D一4e7s9圖四從圖中可以讀出本次試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)下的氬原子第一激發(fā)點(diǎn)位（即曲線斜率）V0二11.95?）氬原子的第一激發(fā)電位理論值為11.52V，相對(duì)誤差1DD-BD-4D一4e7s9圖四從圖中可以讀出本次試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)下的氬原子第一激發(fā)點(diǎn)位（即曲線斜率）V0二11.95?）氬原子的第一激發(fā)電位理論值為11.52V，相對(duì)誤差5二I11.95；］52X100%二3.7%11.52測(cè)量汞原子第一激發(fā)態(tài)緩慢增大VG2K，每增大1V記錄數(shù)據(jù)’如表三。表三IV(V)G2KI(10-8A)PIV(V)G2KIP(10-8A)丨V(V)丨1P(10-8A)G2K10211.8413.02|0|222.2|42|4.530233.8437.024254445■B—LinearFitofB6丨0.2丨261.8丨46丨3.5710.61273.014715.08i0.8i28i4.2i48丨7.59丨0.8丨293.0丨49丨8.010丨0.8丨302.0丨50丨5.8

110.831i2.251121.032~r3.852「~1131.93315.253「1141.034■4.25411L_1150.9352.4551|_J161.0361-2.256r1171.93714.157「~i182.53816.358「~i1■19~|1.83915.259r1120~|1.64013.060rri用Origin作圖，得到氬原子的IV曲線，如圖五。AG2K圖五拾取多峰后得到如下數(shù)據(jù)，見(jiàn)表四，并線性擬合如圖六。表四峰值序號(hào)123456789峰值位置8.1408312.9386918.0564223.0142227.9986733.1163938.0741943.0319948.922704D-20-y4D-20-y-a4EncAdj.俺召qjare0neroeps[&^lopeLinearFitofBvsu色ssn?idErrra.134725貞騎厲(L2城D24eS1D圖六從圖中可以讀出本次試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)下的汞原子第一激發(fā)點(diǎn)位（即曲線斜率）V0二5.0?）4.9氬原子的第一激發(fā)電位理論值為4.9V，相對(duì)誤差5二X100%二2.0%4.9（二）示波器測(cè)量從示波器觀察到的波形如圖七:圖七

表五記錄了波峰間隔。表五峰值序號(hào)12345678V(V)G2K24.033.645.656.468.479.292.4104.4V=—(V-V+V-V+V-V+V-V)=11.6(V)01651627384AV二V-VX(AV—V)X(AV—V)Ii0C=17^1V0|n—1(b.6-11.6》+(12-11.6》+(10.8-11.6》+(12-11.6》+(10.8-11.6》+(13.2-11.6》+(12-11.6》)2V=V±c=(11.6+1.1)(V)00V0氬原子的第一激發(fā)電位理論值為11.52V，相對(duì)誤差氬原子的第一激發(fā)電位理論值為11.52V，相對(duì)誤差5=|11.7-11.52|11.52__x100%=1.6%五、注意事項(xiàng)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。函數(shù)記錄儀的X輸入負(fù)端不能與Y輸入的負(fù)端連接，也不能與記錄儀的地線（丄）連接，否則要損壞儀器。實(shí)驗(yàn)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。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。六、討論1.第一峰值位置為何與第一激發(fā)電位有偏差？答：受VV的影響，G處的電子有一定初速度，而又由于V的影響，并不是GIK1G2P所有到達(dá)G2的電子都能最終形成電流，理想情況是Vg2K=VG2P，電子恰好能形成電流。觀察實(shí)驗(yàn)得到的三條曲線都在大概10V左右才開(kāi)始有明顯的增大，也說(shuō)明VG2K12P時(shí)恰好形成電流。這樣從V電壓開(kāi)始才有I~V的循環(huán)往復(fù)關(guān)G2KG2PG2PPG2K系。所以第一激發(fā)電位有偏差。七、結(jié)論本實(shí)驗(yàn)采用夫蘭克（Frank）和赫茲（Hertz）于1914年使用的簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法，用慢電子轟擊稀薄氣體的原子，