弗兰克-赫兹实验实验报告

弗兰克-赫兹实验一实验目的通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。二实验原理1激发电势玻尔的原子能级理论（1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。原子在这些状态时，不发射或吸收能量；各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。（2）原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足nmEEhv（1）原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。设初速度为零的电子在电势差为U的加速电场作用下，获得的能量为eU，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E1带表汞原子的基态能量，E2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为120EEeU（2）时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。夫兰克-核子实验原理如图1示。在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出，阴极K和栅极G之间的加速电压UGK供电子加速。在板极A和栅极G之间加有拒斥电压UAG。管子空间电位分布如图2示。当电子通过KG空间进入GA空间时，如果有较大的能量（≥eUAG），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA检测出。如果电子在KG空间与汞原子碰撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的UGK/VIA/nA图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的IA-UGK曲线话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显著的减小。实验时，观察电流计的电流随UGK逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的IA-UGK曲线。曲线反映了汞原子在KG空间与电子进行能量交换的情况。当KG空间电压逐渐增加时，电子在KG空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞）。穿过栅极的电子形成的板流IA将随栅极电压的增加而增大（图中OA段）。当KG间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA将显著减小（图AB段）。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A，这时电流有开始上升（BC段）。直到KG间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时，电子在KG空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降（CD段），同理0nUUGK（n=1，2，3，……）（3）凡符合（3）式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差mmUU1应该是汞原子的第一激发电势。三实验仪器FH-1A夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。四实验内容及步骤1、正确连接线路，A、G、H、K连线一一对应，不可混接或短路。2、将微电流放大器，工作选择置于DC，工作状态置于R，栅极电压调到最小，预热5分钟。3、接通加热炉电源，温度升至180℃时调零（10-5档位）和满度（FULL）。4、缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA的起伏变化，当μA表满度时相应的改变倍率。5、从0V起仔细调节栅极电压，细心观察IA的变化，同时记录数据。读出IA的峰谷值的电流和对应的电压，至少记录4组峰谷值。为了准确反映实验规律，在峰谷值的两侧分别记两组数据。6、实验完毕，微电流放大器工作选择，工作状态置于O，栅极电压调到最小，只关闭加热炉点验，不要关闭微电流放大器。五、数据记录及处理1实验数据记录峰1谷1峰2谷2峰3谷3峰4谷4UGK/V11.612.115.116.919.621.524.226.2IA/μA（10-5）13.65.939.07.959.012.1121.024.02数据处理（1）根据实验原理可以得到第一激发电势为nnUUUnU峰峰10H或nnUUUnU谷谷10，得5.46.111.151U5.41.156.192U6.46.192.243U7.41.129.164U6.49.165.215U7.45.212.266U故VUUii6.467.46.47.46.45.45.46161（2）不确定度计算A类分量0133.0)16(6)6.47.4()6.46.4()6.47.4()6.46.4()6.45.4()6.45.4()1()(2222226120nnUUSnnB类不确定度分量29.03211321仪u合成不确定度3.029.087.00013.02222us（3）第一激发电势为VUU)3.06.4(0%5.6%100UB六实验结果及讨论1、由实验图象可以验证了汞原子的能级存在，并根据实验数据计算得到汞原子的第一激发电势为VUU)3.06.4(0，与公认的理论值VU9.40符合的较好。2、误差可能出现的原因（1）温度的微小变化引起的误差；（2）读数时的视觉误差；（3）仪器自身的误差。开始阶段电流变化不明显，误差可能较大。七注意事项1、连线时注意A、K、G、H间的一一对应，避免混接或短路。2、对微电流放大器先进行预热，在接通加热炉电源。3、使用仪器时注意调零和满度。4、由于有热惯性，带加热炉温度稳定后进行测量。5、加热炉温度很高，避免灼伤。6、微电流放大器电流表满偏时迅速降低栅极电压或扩大电流表倍率，以免损坏仪器。