弗兰克-赫兹实验实验报告_精品文档Word下载.doc
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(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)。
IA/nA
夫兰克-核子实验原理如图1示。
UGK/V
图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的IA-UGK曲线
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
峰1
谷1
峰2
谷2
峰3
谷3
峰4
谷4
11.6
12.1
15.1
16.9
19.6
21.5
24.2
26.2
IA/μA(10-5)
13.6
5.9
39.0
7.9
59.0
121.0
24.0
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。