大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验

实验题目：弗兰克赫兹实验

实验器材：F－H实验管、恒温加热电炉、F－H实验装置、示波器。 实验内容：

1．熟悉实验装置，掌握实验条件。

该实验装置由F－H管、恒温加热电炉及F－H实验装置构成，其装置结构如下图所示：

F-V管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。一般温度在100 ?C至250 ?C。并且由于Hg对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。灯丝电压控制着阴极K发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个峰的位置，是一个关键的条件。

2．测量Hg的第一激发电位。

1）起动恒温控制器，加热地F-H管，使炉温稳定在157 ?C，并选择合适的灯丝电压，VG1K=2.5V，VG2p=1.5V，Vf=1.3V。

2）改变VG2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.2V记录一个数据）。

3）作数据处理，作出对应的Ip-VG2k图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。

3．测Ar原子的第一激发电位。

1）调节好相关的数据：Vp=8.36V，VG1=1.62V，VG2k=0~100V，Vf=2.64V；

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惠州学院近代物理实验报告

电子科学  系   09物理2 班                  实验日期 2012 年 11 月 15 日

姓名           学号             同组姓名               指导老师  宋晋湘   

实验名称：弗兰克赫兹实验

实验目的：通过测定亚原子等元素的第一集发典韦，证明原子能级的存在。

实验原理

1、电子和气态汞原子碰撞

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华东交通大学弗兰克-赫兹试验数据及数据处理

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弗兰克-赫兹实验

【实验目的】

(1) 了解弗兰克-赫兹实验用伏-安证明原子存在能级的原理和方法

(2) 学习用伏-安法测量非线性器件

(3) 学习微电流的测量

【仪器用具】

【实验原理】

(1)     原子的受激辐射

玻尔的氢原理理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态）。这些定态的能量（称为能级）是不连续分布的，其中能级最低的状态称为基态。原子在两个定态之间发生跃迁时，要吸收或发射一定的能量，该能量等于两个定态之间的能量差

原子在能级之间的跃迁可以通过有一定能量的电子与原子碰撞交换能量来实现。初速度为零的电子经过电势差加速获得能量，当这些电子与稀薄气体（例如汞）发生碰撞，就会发生能量交换。当电子能量满足

便会使得原子从被激发到，电子能量被吸收。

(2)   弗兰克-赫兹实验

图 1 弗兰克-赫兹装置示意图

图1是弗兰克-赫兹实验装置示意图。图中左侧为弗兰克-赫兹管（F-H管），它是一种密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量较大的汞或惰性气体原子。在这里灯丝用来对阴极加热，使其发射热电子。灯丝电压越高，阴极发射的电子流也就越大。第一栅极的主要作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。第二栅极的作用是在和之间形成对电子加速的静电场。发射的电子穿过栅极达到极板，形成板流。板流的大小由微电流测试仪进行测量。在板极和之间加有一反向电压，它对电子减速，使经过碰撞后动能非常低的电子折回。

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近代物理实验

题目   弗兰克赫兹实验  

            

班级     09物理   

             学号     09072053  

             姓名     张泽民   

指导教师 余云鹏  

弗兰克赫兹实验

实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。

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数据处理

（1）   计算第一激发电势和相对误差

用逐差法求氩原子第一激发电势 U=（66.4+54.6-43-32.6）/4=11.35V

相对误差 ER=（11.35-11.5）/11.5*100%=1.30%   误差在允许范围内

通过比较有：

①                  灯丝电压的变化对极板电流有比较大的影响；

②                  在其他因素相同的情况下，灯丝电压越大，极板电流越大。

分析：灯丝电压变大导致灯丝的实际功率变大，灯丝的温度升高，在其他的因素相同的情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。

（2）  改变灯丝电压，研究其对实验的影响。

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弗兰克-赫兹实验

【摘要】弗兰克-赫兹实验通过改变加速电场的电压控制电子的能量，并以电子撞击汞原子。观察通过的电流来判断原子对电子能量吸收了多少。并根据电子能量与通过电流的关系证明原子能级的存在。

【关键词】能级跃迁、第一激发能、平均自由程

【正文】

1．玻尔的原子理论

玻尔从研究氢原子出发，提出关于原子的两个基本假设：

（1）原子的量子化定态。原子只能处在某一些不连续的稳定状态（定态），每一状态对应一定的能量，能量数值是彼此分隔的。原子在这些状态时，不发射也不吸收能量。原子的能量不论通过什么方式改变，它只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。

（2）辐射的频率法则。原子从一个定态跃迁另一个定态而发射或吸收辐射能量时，辐

射的频率是一定的。

当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能级跃迁到高能级（激发）。如果是

基态和第一激发态之间的跃迁，则有：

2．电子与原子碰撞时的能量转移

电子与原子的相互作用通常有亲和、弹性碰撞与非弹性碰撞几种形式，亲和即指电子进

入原子的作用势区、被原子捕获而形成负离子，但这种现象一般出现在亲和势较大的负性原

子，如氧、氯等，对汞或其他金属、惰性气体等电正性的原子，这种现象一般不会出现。

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***学院近代物理

实验报告

实验名称：弗兰克赫兹实验

实验目的：通过测定亚原子等元素的第一集发典韦，证明原子能级的存在。

实验原理

1、电子和气态汞原子碰撞

利用电子和气态汞原子的碰撞最容易实现弗兰克赫兹实验。

原子从低能级E_n向高能级E_m跃迁可以通过具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。若与原子碰撞的电子是在电势差V的加速下，速度由0到v，则

当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的V称为第一激发电位，如果电子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的V称为该原子的电离电位。

2、实验装置

实验原理图：

电子碰撞在F-H管内进行。真空管内充以不同的元素就可以测出相应元素的第一激发电位。

F-H四极管包括电极灯丝F，氧化物阴极K，两个栅极G1和G2和一个屏极A，阴极K照在灯丝F外，又灯丝F的电压可控制K发射电子的强度，靠近阴极K的实第一栅极，在G1和K之间加有一个小正电压VG1K，第二栅极远离G1而靠近屏极A，G2和A之间加一小的遏止负电压VG2A.

F-H管内充有Hg时，VG2K和屏流Ip满足：

充Hg的F-H管被加热式Hg气化后，Ip-VG2K曲线发生变化，如图所示

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