北航物理实验弗兰克赫兹研究性实验报告.docx

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基础物理研究性实验报告

弗兰克赫兹实验

第一作者：

第二作者：

所在院系：

目录

摘要：

3

Abstract 3

一、 实验目的 4

二、 实验原理 4

1） 激发电位 4

2） 夫兰克-赫兹实验的原理 5

三、 实验仪器 7

四、 实验内容 7

1） 准备工作 7

2） 氩元素的第一激发电位手动测量 7

3） 氩元素的第一激发电位自动测量 8

五、 数据处理（手动测量） 8

1） 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V 8

2） 灯丝电压3.2V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V 10

3） 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.0V，拒斥电压9.0V 11

4） 灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压8.0V 12

六、 实验结果探究 13

1） 实验结果分析探究 13

2） 误差来源分析探究 13

七、 实验感想 14

参考文献：

14

附：

15

摘要：

本研究性报告以“弗兰克赫兹实验”实验为深入研究探讨的课题，简单介绍弗兰克赫兹实验的基本原理以及操作步骤等，重点进行改变某个实验步骤后实验的误差分析，从而进一步了解在实验过程中严格控制实验步骤的正确性对实验结果的重要性，对今后误差分析有一定的作用。

关键词：

弗兰克赫兹实验步骤误差

Abstract

Thisresearchreport"FrankHertzexperiment"experimentsin-depthstudyofthethemes,abriefintroductionofthebasicprinciplesofFrankHertzexperimentandprocedure,focusingstepstochangeanexperimentexperimentalerroranalysis,andlearnmoreabouttheexperimentalprocedurestrictcontrolofthecorrectnessoftheexperimentalprocedureoftheimportanceoftheexperimentalresults,erroranalysisforthefuturehaveacertainrole.

Keywords:

FrankHertzexperimentsteperror

一、实验目的

1、了解弗兰克--赫兹试验的原理和方法；

2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法；

3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。

二、实验原理

1）激发电位

玻尔提出的原子理论指出：

（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态）。

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另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。

如果用Em和En分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率ν决定于如下关系：

hν＝Em－En（1－1－1）

式中，普朗克常数h=6．63×10-34J·s

为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。

设初速度为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量eU0。

当具有这种能量的电子与稀薄气体的原电子与原子（比如十几个乇的氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。

如以E1代表氩原子的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原子吸收从电子传递来的能量恰好为

eU0=E2－E1（l－1－2）

时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态。

而且相应的电位差称为氩的第一激发电位（或称氩的中肯电位）。

测定出这个电位差U0，就可以根据（l－2－2）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了（其他元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。

2）夫兰克-赫兹实验的原理

夫兰克一赫兹实验的原理图如图一所示。

在充氩的夫兰克一赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。

在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压UG2A。

管内空间电位分布如图二所示。

当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（≥eUG2A），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成板极电流，为微电流计μA表检出。

如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己一部分能量传给氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以致通过第二栅极后已不足于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计μA表的电流将显著减小。

实验时，使UG2K电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观察到如图三所示的IA～UG2K曲线。

图三所示的曲线反映了氩原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。

当KG2空间电压逐渐增加时，电子在KG2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相碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）。

穿过第二栅极的电子所形成的板极电流IA将随第二栅极电压UG2K的增加而增大（如图三的oa段）。

当KG2间的电压达到氩原子的第一激发电位Uo时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。

而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回第二栅极（被筛选掉）。

所以板极电流将显著减小（图三所示ab段）．随着第二栅极电压的增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子相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，这时电流又开始上升（bc段）。

直到KG2间电压是二倍氩原子的第一激发电位时，电子在KG2间又会因二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降（cd段），同理，凡在

UGK2＝nUo（n＝1，2，3……）　　　　　　　　　（1－1－3）

的地方板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的IA～UGK2曲线。

而各次板极电流IA下降相对应的阴、栅极电压差Un+1一Un应该是氩原子的第一激发电位Uo。

.

本实验就是要通过实际测量来证实原子能级的存在，并测出氩原子的第一激发电位（公认值为Uo＝11.61V）。

原子处于激发态是不稳定的。

在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，进行这种反跃迁时，就应该有eUo电子伏特的能量发射出来。

反跃迁时，原子是以放出光量子的形式向外辐射能量。

这种光辐射的波长为

　　　　　　　　　　　（1－1－4）

对于氩原子Å

如果夫兰克一赫兹管中充以其他元素，则可以得到它们的第一激发电位（表一）

表一几种元素的第一激发电位

Element

Sodium（Na）

Potassium（K）

Lithium

（Li）

Magnesium

（Mg）

Mercury

（Hg）

Helium

（He）

Neon

（Ne）

U0（V）

2.12

1.63

1.84

3.2

4.9

21.2

18.6

λ（Å）

5898

5896

7664

7699

6707.8

4571

2500

584.3

640.2

三、实验仪器

FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪，示波器，导线若干。

四、实验内容

1）准备工作

①按照下图所示，连接好各组工作电源线，仔细检查，确定无误。

连接示波器，以直观观察IA-UG2K的波形变化情况

②打开电源，将实验仪预热20～30分钟。

2）氩元素的第一激发电位手动测量

①设置仪器为“手动”工作状态，按“手动/自动”键，“手动”指示灯亮。

②设定电流量程，按下相应电流量程键，对应的量程指示灯点亮。

③设定电压源的电压值。

④按下“启动”键，实验开始。

⑤重新启动.这时，操作者可以在该状态下重新进行测试，或修改状态后再进行测试。

3）氩元素的第一激发电位自动测量

智能夫兰克一赫兹实验仪除可以进行手动测试外，还可以进行自动测试。

进行自动测试时，实验仪将自动产生VG2K扫描电压，完成整个测试过程；将示波器与实验仪相连接，在示波器上可看到夫兰克一赫兹管板极电流随VG2K电压变化的波形。

①自动测试状态设置

②VG2K扫描终止电压的设定

③自动测试启动

④自动测试过程正常结束

⑤自动测试后的数据查询

⑥中断自动测试过程

⑦结束查询过程回复初始状态

五、数据处理（手动测量）

1）灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V

计算氩的第一激发电位

VG2k/V

20.0

33.5

44.0

55.0

66.5

78.5

IA/A×10-7

0.180

0.478

0.823

1.221

1.578

1.833

逐差法：

∆V1=35V∆V2=33V∆V3=34.5V

u0=19∆V1+∆V2+∆V3=11.39V

不确定度：

μa=3i（∆Vi3-u0）2n（n-1）=0.20031Vμb=∆仪3=0.0577V

μu0=μ2a+μ2（b）=0.2085V

最终表达式为：

u0±μu0=11.4±0.2V

相对误差:

η=|u0实际-u0理论|u0理论=1.39%

2）灯丝电压3.2V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V

计算氩的第一激发电位

VG2k/V

20.0

33.5

44.0

55.0

66.5

78.5

IA/A×10-7

0.370

1.049

1.835

2.657

3.324

3.769

逐差法：

∆V1=35V∆V2=33V∆V3=34.5V

u0=19∆V1+∆V2+∆V3=11.39V

不确定度：

μa=3i（∆Vi3-u0）2n（n-1）=0.20031Vμb=∆仪3=0.0577V

μu0=μ2a+μ2（b）=0.2085V

最终表达式为：

u0±μu0=11.4±0.2V

相对误差:

η=|u0实际-u0理论|u0理论=1.39%

3）灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.0V，拒斥电压9.0V

计算氩的第一激发电位

VG2k/V

24.0

33.0

43.5

55.0

66.5

78.5

IA/A×10-7

0.246

0.531

0.873

1.258

1.601

1.855

逐差法：

∆V1=31V∆V2=33.5V∆V3=35V

u0=19∆V1+∆V2+∆V3=11.06V

不确定度：

μa=3i（∆Vi3-u0）2n（n-1）=0.38859Vμb=∆仪3=0.0577V

μu0=μ2a+μ2（b）=0.3929V

最终表达式为：

u0±μu0=11.1±0.4V

相对误差:

η=|u0实际-u0理论|u0理论=4.24%

4）灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压8.0V

计算氩的第一激发电位

VG2