FH实验.docx
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FH实验
弗兰克—赫兹实验
信息安全07级姓名:
马文博学号:
PB07210411
实验名称：
弗兰克—赫兹实验
实验目的：
利用电子碰撞原子的方法，观察并测量汞的激发电位和电离电位，从而证明原子能级的存在。
实验原理：
1、电子与气态Hg原子的碰撞
为了实现原子从低能级到高能级的跃迁,可以使具有一定能量的电子和原子发生碰撞.这是最容易实现Franck-Hertz实验的方法.若与之发生碰撞的电子是在电势V的加速下,速度从零增加到v,则当电子的能量满足:
时,电子将全部的能量交换给原子.由于两个能级之间的能量差是有确定的值,对应的电压就有确定的大小,当原子吸收电子的能量从基态跃迁到第一激发态时,相就的电压值称为原子的第一激发电位.实验中就是测量汞原子的第一电位差.
2、Hg原子能级
下图是Hg的谱图.其中61S0（0ev）为基态，63P1（4.9ev）为激发态，63P0（4.7ev）、63P2（5.47ev）为亚稳态.
3、实验装置
实验中用F-H管来测量汞原子的第一激发电位.原理图如下:
F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射电子，G1控制通过G1的电子数目，G2加速电子，G1、G2空间较大，提供足够的碰撞概率，A接收电子，AG2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。
实验曲线：
4.碰撞过程及能量交换
此过程在G1G2空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，使其不能到达A从而不能形成电流。
VGK2=4.7V，使原子激发到63P0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收。
VGK2=4.9V，使原子激发到63P1，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达A，形成第一个峰。
VGK2=9.8V，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在G2处失去动能，形成第二个峰。
VGK2=4.9nV，将形成第n个峰。
实验内容：
1、测量汞的第一激发电位
1）先将温度调到设定值，（T=157
）打开温控电源，加温指示灯on亮（绿色），到设定温度off指示灯亮（红色）。
2）将Vf，VG1K，VG2P，VG2K的旋钮调到最小，到设定温度后，再打开两仪器电源，然后据炉上标签设定各电压值，这时可以调节
的值，每次增加0.5V，进而读出
的值（单位：
10-8A）。
2、测量氩的第一激发电位
1）接通电源，开关调到自动，观察示波器上
的
曲线，调节相关实验参数，直到示波器上显示的曲线图接近完美。
2）将开关调到手动，保持已调好得参数不变，将
调到最小，使之从0开始变化，每次增加0.05（单位：
10V），读
的值（单位：
10nA）。
实验数据及数据处理：
1.测量汞的第一激发点位
Vf=2VVG1K=2.6VVG2p=0.5VT=154
VG2k/V
0.5
1
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Ip/
0
0
0
0
0
0
0
1.0
3.0
4.5
VG2k
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
Ip
8.0
12.0
16.4
13.9
7.1
2.1
1.8
4.4
9.0
14.8
VG2k
10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
13.0
13.5
14.0
14.5
15.0
Ip
22.0
28.0
30.0
23.2
7.1
3.0
6.0
12.2
27.2
34.8
VG2k
15.5
16.0
16.5
17.0
17.5
18.0
18.5
19.0
19.5
20.0
Ip
41.0
43.1
40.0
26.2
8.2
3.5
7.8
16.0
28.0
38.0
VG2k
20.5
21.0
21.5
22.0
22.5
23.0
23.5
24.0
24.5
25.0
Ip
49.9
50.0
47.0
27.5
12.0
8.2
16.2
31.1
43.5
52.0
VG2k
25.5
26.0
26.5
27.0
27.5
28.0
28.5
29.0
29.5
30.0
Ip
57.0
58.0
57.0
39.1
18.7
14.1
24.0
39.8
50.0
60.0
VG2k
30.5
31.0
31.5
32.0
32.5
33.0
33.5
34.0
34.5
35.0
Ip
62.0
63.0
57.0
44.1
26.0
17.0
22.2
37.6
50.0
61.0
VG2k
35.5
36.0
36.5
37.0
37.5
38.0
38.5
39.0
39.5
40.0
Ip
70.0
69.0
61.0
50.0
34.0
28.2
35.1
50.0
63.0
78.0
VG2k
40.5
41.0
41.5
42.0
42.5
43.0
43.5
44.0
44.5
45.0
Ip
81.0
80.0
71.0
58.0
46.8
39.5
43.3
57.0
70.0
79.0
VG2k
45.5
46.0
46.5
47.0
47.5
48.0
48.5
49.0
49.5
50.0
Ip
87.0
85.0
80.0
69.0
53.0
50.0
51.0
59.0
71.0
82.0
由以上Ip-VG2K曲线，得出峰值时的对应的VG2K分别为
6.5V,11.5V,16.0V,21.5V,26V,31V,35.5V,40.5V.
利用逐差法计算
所以
不确定度的分析:
故
=0.03125V
刻度0.1V计
故
所以
=
所以汞的第一激发电位为
（4.8438
0.3321）VP=0.68
（4.8438
0.6642）VP=0.95
2.测量氩的第一激发点位
VG2/V
Vf=2.46VVG1=1.68VVP=8.81V（VG2间隔0.05V）
0-0.45
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.5-0.95
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.69
0.71
0.80
0.92
1-1.45
1.16
1.36
1.59
1.81
2.06
2.23
2.48
2.66
2.79
2.99
1.5-1.95
3.20
3.35
3.49
3.60
3.69
3.73
3.72
3.67
3.56
3.43
2-2.45
3.24
3.01
2.76
2.56
2.51
2.56
2.78
3.06
3.49
3.91
2.5-2.95
4.31
4.73
5.10
5.47
5.68
5.86
5.92
5.86
5.67
5.42
3-3.45
4.98
4.55
4.00
3.53
2.98
2.59
2.20
2.04
2.17
2.58
3.5-3.95
3.20
3.83
4.61
5.41
6.02
6.64
7.08
7.44
7.58
7.56
4-4.45
7.35
6.93
6.46
5.79
4.89
4.15
3.41
2.68
2.07
1.66
4.5-4.95
1.51
1.79
2.39
3.20
4.22
4.99
6.06
7.03
7.46
8.24
5-5.45
8.70
8.97
9.00
8.82
8.43
7.73
7.07
6.03
5.12
4.10
5.5-5.95
3.19
2.41
1.79
1.47
1.63
2.10
3.05
3.84
4.94
6.05
6-6.45
6.93
7.86
8.74
9.45
9.86
10.16
10.20
10.03
9.59
9.02
6.5-6.95
8.21
7.23
6.23
5.02
4.09
3.15
2.45
2.14
2.20
2.64
7-7.45
3.34
4.18
5.25
6.35
7.30
8.32
9.15
9.91
10.51
10.88
7.5-7.95
11.08
11.09
10.91
10.52
9.83
8.92
8.20
7.10
6.21
5.14
8-8.45
4.38
3.71
3.50
3.60
3.97
4.67
5.18
6.26
7.00
7.90
8.5-8.95
8.82
9.70
10.51
11.08
11.30
11.50
11.60
11.50
11.30
10.90
9-9.45
10.65
10.02
9.24
8.34
由以上Ip-VG2K曲线，得出峰值时的对应的VG2K分别为:
17.5V,28V,39V,51V,63V,75.5V,88V;
=63-17.5=45.5V
=75.5-28=47.5V
=88-39=49V
不确定度的分析：
刻度0.1V计
故
所以氩的第一激发电位为
误差分析：
1.Vf，VG1K，VG2P的值在实验中不稳定，不断的在跳动，可能会对曲线的得出造成影响，因为不同参数对应的曲线并不一致。
2.在读取Hg的示数时，采用的是指针型的电流表，操作人员在操作时，由于估读以及指针不稳定原因，易造成较大误差。
3.由于Ip的值十分不稳定，会一直下降，所以读取的必须是瞬时值；然而由于操作人员的主观原因，难免读取会有些时间差，是读取的不是瞬时值，造成一定的误差。
4.由于选取的点不够密集，绘制的图形的最高点的与实际的最高点存在一定的出入，会产生一定的误差。
5.仪器本身难免存在仪器误差，会对实验造成一定的影响。
思考题：
问题：
说明温度对充汞F-H管Ip-VG2K影响的物理机制。
答：
实验中,控制管内的汞气压是实验成败的关键。
温度较低时,汞的饱和气压很低，管中的汞原子的密度较小,经过加速的后的电子和汞原子相碰的概率不是非常的大,这样,电子有机会在和汞原子相碰前积蓄超过
的能量,从而使向高激发态的激发概率迅速增加,甚到出现电离,这样不利于实验的测量,
图像也很不标准,得到的测量的数据了也会有较大的误差.常温下,汞的饱和气压很低,为得到合适的汞原子密度,实验中把管子放在恒温炉内加热,另外,汞蒸气压对温度非常敏感,所以实验中要把温度控制在很稳定的状态下,为电子和汞子相碰提供足够大的概率,这样不会使太多的电子积蓄到大于
的能量时还未和汞原子发生碰撞,此时,成形的
图形也
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