***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

当VG2K=4.9nV(n=1,2,3…)时，图线上都将出现一个峰值，原因是每到一个4.9V电子与汞原子发生了非弹性碰撞，电子将能量全部转移给汞原子，失去能量的电子不能到达屏极。

实验步骤及内容

一、测Hg的第一激发电位

1、将装置温度调整到一定值，然后将Vf,Vp,Vg调制标定值

Vf=1.3V        VG1K=2.5V          VG2P=1.5V          T=157℃

2、测量VG2K-Ip曲线，先将VG2K跳至(调至)最小，之后每增大0.5V记录一次Ip的数据，直到测出6到8个峰

二、测Ar的第一激发电位

1、接线

2、扫描开关调至“自动”挡，速度开关调至“快进（快速）”

3、调整示波器“CH1”“CH2”的位置

4、调节VG1,Vp,Vf的位置至给定值

5、开始测量，从零开始，VG2K每隔0.05V记录一次Ip值直到最大

VG2K实际值：示数x10，Ip实际值：示数x10（na）

测量数据及分析

 1、汞

各峰值之间的VG2K之差为

ΔV1=11.41-6.92=4.49V

ΔV2=16.15-11.41=4.74V

ΔV3=20.78-16.15=4.63V

ΔV4=25.61-20.78=4.83V

ΔV5=30.50-25.61=4.89V

ΔV6=35.41-30.50=4.91V

ΔV7=40.30-35.41=4.89V

故汞的第一激发电位为

2、氩

各峰值之间的差为

ΔV1=29.12-19.16=9.96V

ΔV2=40.46-29.12=11.34V

ΔV3=52.09-40.46=11.63V

ΔV4=63.92-52.09=11.83V

ΔV5=76.33-63.92=12.41V

ΔV6=89.28-76.33=12.95V

故Ar的第一激发电位为

思考题

当F-H管温度较低时，由于电子平均自由程大，电子有机会使积蓄的能量超过4.9eV，从而使原子向高激发态跃迁的概率增加，这样图像上Ip会对应出现高激发态的峰值，曲线的峰间距变长，峰值增大。当温度较高时，则会出现相反效果。

实验心得

当用示波器测量Ar的第一激发电位时，要注意调整发射电子的强度，不能在最高处出现截止的情况。当测量Hg的第一激发电位时，必须注意调整炉内温度，避免出现数据和图像的异常。

 

第二篇：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

       （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

     （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）。

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

（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

2 数据处理

（1）根据实验原理可以得到第一激发电势为

H或，得

   

  

  

故

（2）不确定度计算

A类分量

B类不确定度分量

合成不确定度

（3）第一激发电势为

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，与公认的理论值符合的较好。

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。