夫兰克赫兹实验报告.docx
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夫兰克赫兹实验报告
夫兰克—赫兹实验
【实验背景】1913年丹麦物理学家波尔提出波尔原子模型理论，认为有原子能级存在。
光谱学的研究证明了原子能级的存在。
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，由此两人获得了1925年诺贝尔物理学奖。
【摘要】采取慢电子与稀薄气体原子碰撞的办法，使原子从低能级激发到高能级。
通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，观察测量到了汞的激发电位和电离电位，证明了原子内部量子化能级的存在独立证明了原子波尔理论的正确性，
【关键词】原子能级夫兰克—赫兹实验激发电位
【正文】
一、实验目的
1.通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。
2.学习测量微电流的方法。
二、实验仪器
电脑化X—Y记录仪，FH—II型夫兰克—赫兹实验仪
三、基本知识：
1、原子能级
根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。
受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。
然而，原子若与具有一定能量的电子发生碰撞，也可使原子从低能级跃迁到高能级。
夫兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞实现这种跃迁的。
电子在加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能
，当
时，即可实现跃迁。
若原子吸收能量
。
从基态跃迁到第一激发态，则
称
为第一激发电位或中肯电位。
2、波尔原子理论：
（1）电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（简称定态），并具有一定的能量。
（2）射线的发射和吸收总是与原子从一个稳定态向另一个稳定态的跃迁相联系，发射是向低能态跃迁，吸收是向高能跃迁。
（3）原子从一个定态跃迁到另一个定态，发射或者吸收辐射，辐射频率γ与两个定态的能量之间满足以下关系：
hγ=Em-En。
其中h是普朗克常量，Em、En是原子在两个定态的能量。
图3
四、实验原理
图2
图4
实验原理图如图2和图3所示，充汞的夫兰克-赫兹管，其阴极K被灯丝H加热，发射电子。
电子在K和栅极G之间被加速电压
加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极A之间加反向拒斥电压
，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流
。
图四是根据实验得出的
曲线示意图，每当
时
都会下降，曲线上两个相邻的峰（谷）的
间距即为原子第一激发电位。
五、实验步骤
1、准备工作：
连接好各组工作电源线，仔细检查，确定无误。
打开电源，预热。
检查开机后的初始状态，确认仪器工作正常。
2、手动测试：
将仪器设置为“手动”工作状态。
设定电流量程，灯丝电压，第一加速电压，拒斥电压的值。
按下“启动”键和“VG2K”档位键，按步长0.5V的电压值调节VG2K。
通过电脑观察极板电流IA随电压UG2K的变化情况。
3、自动测试：
将仪器设置为“自动”工作状态。
启动电脑，在电脑上设置相应的参数，进行测试。
六、实验结果与数据分析
1、灯丝电压2.5V，第一栅压1.5V，拒斥电压8.0V，测量步距0.5V，时间步距0。
5s。
（1）手动测试：
最大值编号
1
2
3
4
5
6
电压（V）
22
33
44
55.5
67
79.5
利用最小二乘法处理数据得到U0=11.5V
相对误差为e1=0.95%
（2）联机显示自动：
最大值编号
1
2
3
4
5
6
电压（V）
22．6
33
44.1
55.4
67.3
79.4
利用最小二乘法处理数据得到U0=11.36V
相对误差为e1=2.15%
（3）联机测试自动：
最大值编号
1
2
3
4
5
6
电压（V）
22
33
44
55.5
67
79.5
利用最小二乘法处理数据得到U0=11.5V
相对误差为e1=0.95%
综上
U1
U2
U3
U平均
U理论值
11.5V
11.36V
11.5V
11.45V
11.61V
U平均=11.45V
相对误差：
e=1.38%
2、探究灯丝电压（其他参数不变）对实验曲线的影响：
（1）灯丝电压2.4V：
（2）灯丝电压2.6V：
分析：
随着灯丝电压增大，实验曲线向上移。
当灯丝电压增大时，灯丝温度升高，阴极发射热电子的能力提高，单位时间内阴极发射的电子数增多，电子平均初动能增加，从而使单位时间内到达板极的电子数也增加，即板极电流增大，从而出现实验曲线上移的现象。
3、探究拒斥电压（其他参数不变）对实验曲线的影响：
（1）拒斥电压7.5V：
（2）拒斥电压8.5V：
分析：
拒斥电压增大时，实验曲线下移。
因为拒斥电压增加，则电子碰撞极板所需的动能就变大，故本来能打到极板的一些电子此时不能打到极板，即打到极板的电子数目减少，因而极板电流减小。
4、探究第一栅压电压（其他参数不变）对实验曲线的影响：
（1）第一栅压1.3V：
（2）第一栅压1.7V：
分析：
随着第一栅压的增大，实验曲线上移。
因为第一栅压即加速电压增大，动能增大，打到极板的电子数增加，因而极板电流增大。
5、探究温度（其他参数不变）对实验曲线的影响：
（1）温度25℃
（2）温度30℃
分析：
温度增加，实验曲线上移。
温度升高，阴极发射热电子的能力提高，单位时间内阴极发射的电子数增多，电子平均初动能增加，从而使单位时间内到达板极的电子数也增加，即板极电流增大，从而出现实验曲线上移的现象。
总结：
设汞原子的基态能量为E1，第一激发态能量为E2，当动能为Ek的电子和汞原子相撞时，若Ek此时，极板电流随加速电压而增加。
若Ek>E2-E1，汞原子可以从电子那里得到能量，使汞原子从基态跃迁到激发态，所以，电子与汞原子碰撞是非弹性碰撞。
此时，由于电子把其动能中的全部或大部分传递给了汞原子，电子的动能急剧减少，极板电流急剧降低，出现波谷。
七、实验体会
1、本实验，我和同组成员并没有拘泥于实验本身，而是进行了多项探究实验，研究了VF，VG1K，VG2K，温度分别变化时，对IA—VG2K曲线的影响。
实验结果在上文中已有叙述。
2、对课后思考题的一些认识：
那些能量等于汞原子激发整数倍的电子与原子碰撞时也会损失能量，这些电子有几倍的能量，就能使几个原子发生跃迁，就像进行了多次碰撞一样。
3、汞的激发电位是4.9V，但是VG2K要加到10V左右才会出现第一个峰。
是因为阴极和栅极之间有接触电势的存在，VG2K中的一部分抵消了接触电势。
4、实验曲线中极板电流不是突然改变，每个峰和谷都有圆滑的过度，是因为电子与原子碰撞有一定的概率，符合统计规律。
5、波谷并没有回到0，是因为电子运动速度增加，碰撞次数减少，许多电子还没碰撞原子就打到极板了。
6、实验过程中要注意灯丝电压不宜过高，否则会加快管子老化。
VG2K不宜超过85V，否则管子易被击穿。
做探究实验调节VF，VG1K，VG2K，温度时，应在一定范围内小步进行，否则易损坏仪器。
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