弗蘭克赫茲實(shí)驗報告
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弗蘭克赫茲實(shí)驗報告1
姓名：xxx學(xué)號：xxxxxxxxxx 班級：本碩xxx班
實(shí)驗日期：xxx年10 月13日
夫蘭克-赫茲實(shí)驗
【實(shí)驗目的】
1、測量氬原子的第一激發(fā)電勢，證明原子能級的存在，從而加深對量子化概念的認識。
2、加深對熱電子發(fā)射的理解，學(xué)習將電子與原子碰撞微觀(guān)過(guò)程與宏觀(guān)物理量相結合的實(shí)驗設計方法。
【歷史背景】
1911年，盧瑟福根據α粒子散射實(shí)驗，提出了原子核模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說(shuō)運用到原子有核模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個(gè)重要概念：原子定態(tài)能級和能級躍遷概念。電子在能級之間遷躍時(shí)伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差，并滿(mǎn)足普朗克頻率定則。隨著(zhù)英國物理學(xué)家埃萬(wàn)斯(E.J.Evans)對光譜的研究，玻爾理論被確立。
1914年，德國科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用慢電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法(與光譜研究相獨立)，簡(jiǎn)單而巧妙地直接證實(shí)了原子能級的存在，并且實(shí)現了對原子的可控激發(fā)。
1925年，由于他二人的卓越貢獻，他們獲得了當年的諾貝爾物理學(xué)獎。夫蘭克-赫茲實(shí)驗至今仍是探索原子內部結構的主要手段之一。所以，在近代物理實(shí)驗中，仍把它作為傳統的經(jīng)典實(shí)驗。
【實(shí)驗原理】
根據玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續的穩定狀態(tài)之中，其中每一種狀態(tài)相應于一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)，這些能量值稱(chēng)為能級。最低能級所對應的狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)，其它高能級所對應的態(tài)稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。
當原子從一個(gè)穩定狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)穩定狀態(tài)時(shí)就會(huì )吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差，并滿(mǎn)足普朗克頻率選擇定則：
( h為普朗克常數)
本實(shí)驗中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實(shí)現，并滿(mǎn)足能量選擇定則：
ev=E-E(1) 110
E為第一激發(fā)能量(第一激發(fā)態(tài)是距基態(tài)最近的一個(gè)能態(tài))，E為基態(tài)能量，ev為該原子第一激發(fā)能。 式(1)中，101實(shí)驗原理如圖(1)所示：在充氬的夫蘭克—赫茲管中，電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在極板A和第二柵極G2之間可設置減速電壓VG2A。
注意：第一柵極G1和陰極K之間的加速電壓VG1K約2V，用于消除空間電荷對發(fā)射電子的影響。
當燈絲加熱時(shí)，陰極被燈絲灼熱而發(fā)射電子，電子在G1和G2間的電場(chǎng)作用下被加速而取得越來(lái)越大的能量，但在起始階段，由于電壓VG2K較低，電子的能量較小，即使在運動(dòng)過(guò)程中，它與原子相碰撞(彈性碰撞)的能量交換非常小，此時(shí)可認為它們之間沒(méi)有能量交換。這樣，穿過(guò)第二柵極的電子所形成的電流IA隨第二柵極電壓VG2K的增加而增加。
當VG2K達到氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞(此時(shí)產(chǎn)生非彈性碰撞)。電子把從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量傳遞給氬原子，使氬原子從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)，而電子本身由于把全部能量傳遞給了氬原子，它即使穿過(guò)了第二柵極，也不能克服反向拒斥電壓而被折回第二柵極。所以陽(yáng)極電流IA將顯著(zhù)減小。氬原子在第一激發(fā)態(tài)不穩定，會(huì )躍遷到激發(fā)態(tài)，同時(shí)以光量子形式向外輻射能量。以后隨著(zhù)第二柵極電壓VG2K的增加，電子的能量也隨之增加，與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，這就可以克服拒斥電壓的作用力而到達陽(yáng)極A，這時(shí)電流又開(kāi)始上升，直到VG2K是2倍氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在G2和K之間又會(huì )因第二次非彈性碰撞而失去能量，因而又造成了第二次陽(yáng)極電流IA的下降，這種能量轉移隨著(zhù)加速電壓的增加而呈周期性的變化。
若以VG2K為橫坐標，以陽(yáng)極電流值IA為縱坐標就可以得到譜峰曲線(xiàn)，兩相鄰谷點(diǎn)(或峰尖)間的加速電壓值，即為氬原子的第一激發(fā)電位值。
這個(gè)實(shí)驗說(shuō)明了夫蘭克—赫茲管內的電子緩慢的與氬原子碰撞，能使原子從低能級被激發(fā)到高能級，通過(guò)測量氬的第一激發(fā)電位值(13.1V是一個(gè)定值，即吸收和發(fā)射的能量是完全確定的，不連續的)，也就是說(shuō)明了原子內部存在不連續的能級，即波爾原子能級的存在。
【實(shí)驗儀器】
夫蘭克—赫茲實(shí)驗儀(含夫蘭克-赫茲管、微電流放大器等)微機等。
【實(shí)驗步驟】
1，撥動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，接通電源，點(diǎn)亮數碼管，將手動(dòng)—自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，換至“手動(dòng)”位置，逆時(shí)針?lè )较蛐D“掃描幅度調節”旋鈕到最小位置，預熱三分鐘后開(kāi)始做實(shí)驗。
2，將電壓分檔切換開(kāi)關(guān)撥到“5V”擋，旋轉“5V”調節旋鈕，使電壓讀數為2V。這時(shí)陰極至第一柵極電壓VG1K為2V。
3，將電壓分檔切換開(kāi)關(guān)撥到“15V”擋，旋轉“15V”調節旋鈕，使電壓讀數為7.5V。這時(shí)陽(yáng)極至第二柵極電壓VG2A(拒斥電壓)為7.5V。
4，將電壓分檔切換開(kāi)關(guān)撥到“100V”擋，旋轉“100V”調節旋鈕，使電壓讀數為0V。這時(shí)陽(yáng)極至第二柵極電壓VG2A(加速電壓)為0V。
5，將電流顯示選擇波段開(kāi)關(guān)切換到10 A擋，并調節調零旋鈕使電流顯示指示為零。
6，將將手動(dòng)—自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，換至“手動(dòng)”位置，旋轉加速電壓旋鈕VG2A，同時(shí)觀(guān)察電流表，電壓表的示數變化，并根據電流表的數值大小調節好“電流顯示選擇”檔位，隨著(zhù)(加速電壓)的增加，電流表的`值出現周期性峰值和谷值，記錄相應的電壓、電流值，以輸出電流為縱坐標，電壓為橫坐標，作出譜峰曲線(xiàn)。
【注意事項】
1，實(shí)驗中(手動(dòng)檔位)電壓加到60V以后，要注意電流輸出指示，當電流表指示突然驟增，應立即減小電壓，以免管子損壞。
2，實(shí)驗過(guò)程中如果要改變第一柵極與陰極和第二柵極與陰極之間的電壓及燈絲電壓時(shí)，要將0—100V旋鈕逆時(shí)針旋到底，在改變以上電壓值。
3，本實(shí)驗燈絲電壓分別可以設為3V、3.5V、4V、4.5V、5V、5.5V、6.3V，可以在不同的燈絲電壓下重復上述實(shí)驗。如果發(fā)現波形上端切頂，則陽(yáng)極輸出電流過(guò)大，引起放大器失真，因減小燈絲電壓。
【數據記錄及處理】
以輸出電流為縱坐標，電壓為橫坐標，作出譜峰曲線(xiàn)。
相鄰峰—峰之間的電位差：
U1=42.6-31.1=11.5
U2=54.3-42.6=11.7
平均值：
U=(U1+U2)/2
=(11.5+11.7)/2=11.6V
相鄰谷—谷之間的電位差：
U3=37-24.9=12.1
U4=48.1-37=11.1
平均值：
U=(U3+U4)/2
=(12.1+11.1)/2=11.6V
則本實(shí)驗測得氬原子第一激發(fā)電位為11.6V。
【思考題及討論】
1，第一激發(fā)電位的物理含義是什么?有沒(méi)有第二激發(fā)電位?
答：第一激發(fā)電位：如初始能量為零的電子在電位差為U0 的加速電場(chǎng)中運動(dòng)，則電子可獲得的能量為 eU0;如果加速電壓U0恰好使電子能量 eU0 等于原子的臨界能量，即 eU0=E2—E1，則 U0稱(chēng)為第一激發(fā)電位，或臨界電位。
第二激發(fā)電位：電子碰撞原子使其從基態(tài)到第二激發(fā)態(tài)所需的最低能量叫第二激發(fā)電位。
怎樣測第二激發(fā)電位：加速電壓 Ug1k和 U2A都是標準參數，不能改變，而要測第二激發(fā)電位需要使電子獲得能量，必須增大 Ug1k。
2.夫蘭克—赫茲管中還能充什么其它氣體，為什么?
答：汞蒸氣或其他稀有氣體。因為汞是單原子分子，結構簡(jiǎn)單，而且在常溫下是液 態(tài)，只要改變溫度就能大幅度改變汞原子的密度，同時(shí)還由于汞的原子量大，電 子與其原子碰撞時(shí)，能量損失極小。
3、什么是能級?玻爾的能級躍遷理論是如何描述的?
答：在玻爾的原子模型中，原子是由原子核和核外電子所組成，原子核 位于原子的中心，電子沿著(zhù)以核為中心的各種不同直徑的軌道運動(dòng)。在一 定軌道上運動(dòng)的電子，具有對應的能量，軌道不同，能量的大小也不相同。 這些與軌道相聯(lián)系、大小不連續的能量構成了能級。 當原子狀態(tài)改變時(shí)，伴隨著(zhù)能量的變化。若原子從低能級En 躍遷到高 能級Em，則原子需吸收一定的能量，該能量的大小為△E：
△E=Em-En
若電子從高能級Em 躍遷到低能級En，則原子將放出能量△E。
4，為什么 IG2A-UG2K 曲線(xiàn)上的各谷點(diǎn)電流隨 UG2K 的增大而增大?
答：電子與汞原子的碰撞有一定的幾率，總會(huì )有一些電子逃避了碰撞， 穿過(guò)柵極而到達板極。 隨著(zhù) UG2K 的增大， 這些電子的能量增大， 因此在 IG2A -UG2K 曲線(xiàn)上的各谷點(diǎn)電流也隨著(zhù)增大。
5，本實(shí)驗的誤差來(lái)源有哪些?
答：1、由于預熱不足，使測量值產(chǎn)生誤差;
2、在實(shí)驗時(shí)，由于電壓的步差不可能連續，故測量的峰值會(huì )有一定的誤差;3、儀器本身存在一定的誤差。
弗蘭克赫茲實(shí)驗報告2
實(shí)驗題目：弗蘭克赫茲實(shí)驗
實(shí)驗器材：F-H實(shí)驗管、恒溫加熱電爐、F-H實(shí)驗裝置、示波器。
實(shí)驗內容：
1.熟悉實(shí)驗裝置，掌握實(shí)驗條件。
該實(shí)驗裝置由F-H管、恒溫加熱電爐及F-H實(shí)驗裝置構成，其裝置結構如下圖所示：
C:Documents and SettingsAdministrator.EUPMS_1.000桌面3.jpg
F-V管中有足夠的液態(tài)汞，保證在使用溫度范圍內管內汞蒸氣總處于飽和狀態(tài)。一般溫度在100 ºC至250 ºC。并且由于Hg對溫度的靈敏度高，所以溫度要調好，不能讓它變化太大。燈絲電壓控制著(zhù)陰極K發(fā)射電子的密度和能量分布，其變化直接影響曲線(xiàn)的形狀和每個(gè)峰的位置，是一個(gè)關(guān)鍵的條件。
2.測量Hg的第一激發(fā)電位。
1)起動(dòng)恒溫控制器，加熱地F-H管，使爐溫穩定在157 ºC，并選擇合適的燈絲電壓，VG1K=2.5V，VG2p=1.5V，Vf=1.3V。
2)改變VG2k的值，并記錄下對應的Ip值上(每隔0.2V記錄一個(gè)數據)。
3)作數據處理，作出對應的Ip-VG2k圖，并求出Hg的第一激發(fā)電位(用逐差法)。
3.測Ar原子的第一激發(fā)電位。
1)調節好相關(guān)的數據：Vp=8.36V，VG1=1.62V，VG2k=0~100V，Vf=2.64V;
2)將相關(guān)檔位調到自由檔位，在示波器上觀(guān)看得到的Ip-VG2k圖，是否符合實(shí)驗要求(有六個(gè)以上的波峰)。再將相關(guān)檔位調到手動(dòng)檔位。
3)手動(dòng)改變VG2k的值，并記錄下對應的Ip值上(每隔0.05V記錄一個(gè)數據)。
4)作數據處理，作出對應的Ip-VG2k圖，并求出Hg的第一激發(fā)電位(用逐差法)。
4.得出結論。
原始數據:
1. Vf=1.3V VG1K=2.5V VG2p=1.5V T=157ºC
求汞原子的第一激發(fā)電位的數據表
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2. Vp=8.36V VG1=1.62V VG2k=0~100V Vf=2.64V
求Ar原子的第一激發(fā)電位的數據表
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數據處理：
1. 求Hg原子的第一激發(fā)電位。
將在實(shí)驗中記錄下的數據，以點(diǎn)的形式描在x-y坐標上，并用平滑曲線(xiàn)連接后得到的圖形為：大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
得到的七個(gè)峰值(Ip)，對應的UG2K依次為：U1=7.0V , U2=11.6V , U3=16.0V , U4=21.0V , U5=25.8 V, U6=30.6V , U7=35.6V .
設Ux為Hg的第一激發(fā)電位，則有下列式子(逐差法)：
4*Ux1=U5-U1=25.8V-7.0V=18.8V, Ux1=4.7V;
4*Ux2=U6-U2=30.6V-11.6V=19.0V, Ux2=4.8V;
4*Ux3=U7-U3=35.6V-16.0V=19.6V, Ux3=4.9V
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不確定度分析：
uA=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
u0.68=1.32*uA=1.32*0.06V=0.08V.
則Ux=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客u0.68=4.8大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.08V.
2. 求Ar原子的第一激發(fā)電位。
將在實(shí)驗中記錄下的數據，以點(diǎn)的形式描在x-y坐標上，并用平滑曲線(xiàn)連接后得到的圖形為：大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
得到的六個(gè)峰值(Ip)，對應的'UG2K依次為：U1=3.00V , U2=4.15V , U3=5.35V , U4=6.60V , U5=7.90V, U6=9.20V .
設Ux為Hg的第一激發(fā)電位，則有下列式子(逐差法)：
3*Ux1=U4-U1=6.60V-3.00V=3.60V, Ux1=1.20V;
3*Ux2=U5-U2=7.90V-4.15V=3.75V, Ux2=1.25V;
3*Ux3=U6-U3=9.20V-5.35V=3.85V, Ux3=1.28V
則
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不確定度分析：
uA=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
u0.68=1.32*uA=1.32*0.023V=0.030V.
則Ux=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客u0.68=1.24大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.030V.
結論：由此可得，Hg的第一激發(fā)電位UxHg=4.8大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.08V，而Ar原子的第一激發(fā)電位為UxAr=1.24大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.030V。
思考題：
說(shuō)明溫度對充汞F-H管Ip-VG2k曲線(xiàn)影響的物理機制。
答：，在一定溫度下(一般在發(fā)100 ºC至250 ºC)，才可得到合適壓強的汞蒸氣，這時(shí)汞原子的密度也是合適的。汞蒸氣對溫度非常敏感，如果溫度不在合適范圍之內，會(huì )影響到汞原子在F-H管內的密度。如果溫度較低，會(huì )導致F-H管中汞原子的密度較小，就進(jìn)一步為汞原子專(zhuān)門(mén)提供與電子碰撞，這就使得電子的平均自由程變大，電子有機會(huì )使積蓄的能量超過(guò)4.9V，從而使高激發(fā)態(tài)的激發(fā)概率迅速增加，會(huì )Ip有了對應的峰，并在Ip-VG2kr 曲線(xiàn)上有對應的峰，出現高激發(fā)態(tài)時(shí)的電位，這就會(huì )影響到實(shí)驗的結果。如果溫度較高，汞管內的密度較大，使電子每次能量到達4.9eV時(shí)，有足夠大的概率與汞原子發(fā)生能量交換，使得電子的速度重新回到零，并需要重新加速，直到再次到達4.9eV，又與汞原子發(fā)生能量交換…….始終都在在基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間，并且在Ip-VG2K曲線(xiàn)中會(huì )表現出有多個(gè)峰值，并且都是處在第一激發(fā)態(tài)上。則會(huì )使所以說(shuō)，在實(shí)驗中對汞的溫度也有一定的講究：過(guò)高時(shí)，則在Ip-VG2k曲線(xiàn)上會(huì )出現多個(gè)峰;過(guò)低則會(huì )使得出現高激發(fā)態(tài)上的峰值，在圖中表現為，兩個(gè)峰值的距離會(huì )加大。
實(shí)驗心得:
1. 實(shí)驗過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)使用的儀器，在調好了相關(guān)數據后，進(jìn)行讀數時(shí)，發(fā)現數據變化很小、，這就增大了讀取數據的誤差。后來(lái)?yè)Q了一臺儀器，讀取時(shí),電流隨電壓的改變而改變的幅度變大，這就大大減小了讀取數據的誤差，也使得實(shí)驗中測量Hg的第一激發(fā)電位較為準確。所以我覺(jué)得在實(shí)驗開(kāi)始時(shí)調整好實(shí)驗儀器，也是一件非常重要的事。
2. 在實(shí)驗過(guò)程中，一定要定下心來(lái)。實(shí)驗中讀取數據有的時(shí)候是一件很枯燥單調的事，當需要讀取的數據很多時(shí)，容易變得浮躁，使得會(huì )出現讀取錯誤的情況。這就需要我們能夠冷靜自我，一心一意地去做自己要做的事，把需要實(shí)驗的步驟做好。這很重要。
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