1、南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告课程名称： 近代物理实验 实验名称： 夫兰科赫兹实验报告 学院： 理学院 专业班级： 物理学 141 班 学生姓名： 齐志荣 学号： 5502114012 实验地点： 基础实验大楼 座位号： 10 实验时间： 星期二下午 13：50一、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：玻尔提出的原子理论指出: 原子只能较长地停留在一些稳定的状态。 原子在这种状态时， 不发射或吸收能量。 各定态有一定的能量， 其数值是彼此分隔得。 原子的能量不论通过什
2、么方式改变， 它只能从一个状态跃迁代另一个状态。 原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时， 辐射的频率是一定的。 于是有如下关系:式中， h 为普朗克常数。 为了使原子从低能级想高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与燕子相 碰撞进行能量交换的办法来实现。图 1 弗兰克-赫兹管结构图 实验原理如图（1）所示：在充氩的夫兰克赫兹管中，电子由阴极 K 发出，阴极 K 和第一栅极 G1 之间的加速电压 VG1K 及与第二栅极 G2 之间的加速电压 VG2K 使电子加速。在极板 A 和第二栅极 G2 之间可设置减速电压 VG2A。注意：第一栅极 G1 和阴极 K 之间的加速电压 VG1K 约
3、 2V，用于消除空间电荷对发射电mnEv子的影响。当灯丝加热时，阴极被灯丝灼热而发射电子，电子在 G1 和 G2 间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量，但在起始阶段，由于电压 VG2K 较低，电子的能量较小，即使在运动过程中，它与原子相碰撞（弹性碰撞）的能量交换非常小，此时可认为它们之间没有能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的电流 IA 随第二栅极电压 VG2K 的增加而增加。当 VG2K 达到氩原子的第一激发电位时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞（此时产生非弹性碰撞）。电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氩原子，使氩原子从基态激发到第一激发态，而电子本身由于把全部能量传递给了氩
4、原子，它即使穿过了第二栅极，也不能克服反向拒斥电压而被折回第二栅极。所以阳极电流 IA 将显著减小。氩原子在第一激发态不稳定，会跃迁到激发态，同时以光量子形式向外辐射能量。以后随着第二栅极电压 VG2K 的增加，电子的能量也随之增加，与氩原子相碰撞后还留下足够的能量，这就可以克服拒斥电压的作用力而到达阳极 A，这时电流又开始上升，直到VG2K 是 2 倍氩原子的第一激发电位时，电子在 G2 和 K 之间又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，因而又造成了第二次阳极电流 IA 的下降，这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。若以 VG2K 为横坐标，以阳极电流值 IA 为纵坐标就可以得到谱峰曲
5、线，两相邻谷点（或峰尖）间的加速电压值，即为氩原子的第一激发电位值。这个实验说明了夫兰克赫兹管内的电子缓慢的与氩原子碰撞，能使原子从低能级被激发到高能级，通过测量氩的第一激发电位值（13.1V 是一个定值，即吸收和发射的能量是完全确定的，不连续的），也就是说明了原子内部存在不连续的能级，即波尔原子能级的存在。三、实验仪器：夫兰克赫兹实验仪（含夫兰克-赫兹管、微电流放大器等）微机等四、实验内容和步骤：1，拨动电源开关，接通电源，点亮数码管，将手动自动切换开关，换至“手动”位置，逆时针方向旋转“扫描幅度调节”旋钮到最小位置，预热三分钟后开始做实验。2，将电压分档切换开关拨到“5V”挡，旋转“5V”
6、调节旋钮，使电压读数为 2V。这时阴极至第一栅极电压 VG1K 为 2V。3，将电压分档切换开关拨到“15V”挡，旋转“15V”调节旋钮，使电压读数为 7.5V。这时阳极至第二栅极电压 VG2A（拒斥电压）为 7.5V。4，将电压分档切换开关拨到“100V”挡，旋转“100V”调节旋钮，使电压读数为0V。这时阳极至第二栅极电压 VG2A（加速电压）为 0V。5，将电流显示选择波段开关切换到 10 A 挡，并调节调零旋钮使电流显示指示为零。6，将将手动自动切换开关，换至“手动”位置，旋转加速电压旋钮 VG2A，同时观察电流表，电压表的示数变化，并根据电流表的数值大小调节好“电流显示选择”档位，随
7、着（加速电压）的增加，电流表的值出现周期性峰值和谷值，记录相应的电压、电流值，以输出电流为纵坐标，电压为横坐标，作出谱峰曲线。【注意事项】1，实验中（手动档位）电压加到 60V 以后，要注意电流输出指示，当电流表指示突然骤增，应立即减小电压，以免管子损坏。2，实验过程中如果要改变第一栅极与阴极和第二栅极与阴极之间的电压及灯丝电压时，要将 0100V 旋钮逆时针旋到底，在改变以上电压五、实验数据与处理：【数据记录及处理】I/10-9 U/V I/10-9 U/V I/10-9 U/V0 1.0 63 29.4 25 46.0 0 2.0 65 29.6 14 47.7 1 11.5 71 30.
8、5 19 47.1 2 12.7 68 31.0 43 48.0 5 13.9 61 31.9 76 49.1 9 14.8 45 32.9 87 49.7 14 15.7 35 33.4 102 50.2 19 16.7 17 34.4 111 50.6 21 17.5 10 34.9 126 51.2 26 19.0 8 35.4 134 51.7 25 20.3 12 35.9 144 52.3 19 22.0 21 36.2 147 52.8 11 23.5 47 37.2 153 53.3 7 24.7 68 37.8 157 54.2 11 25.0 101 39.4 155 54
9、.9 19 25.6 112 40.2 148 55.4 30 26.3 116 41.2 138 55.7 38 26.8 124 42.1 51 27.6 118 43.0 56 28.1 91 44.1 58 28.5 58 45.0 相邻峰峰之间的电位差：U1=30.5-19.0=11.5 U2=54.2-42.1=12.1平均值：U=（U1+U2）/2=(11.5+12.1)/2=11.8V则本实验测得氩原子第一激发电位为 11.8V。【思考题及讨论】1， 第一激发电位的物理含义是什么？有没有第二激发电位？答：第一 激发电位 ：如初始能量为零的电子在电位差为 U0 的加速电场中运动，
10、则 电子可获得的能量为 eU0；如果加速电压 U0 恰好使电子能量 eU0 等于原子的临界 能量，即 eU0E2E1，则 U0 称为第一 激发电位 ，或临界电位。第二 激发电位电子碰撞原子使其从基态到第二激发态所需的最低能量叫第二激发电 位。 怎样测第二激发电位：加速电压 Ug1k 和 U2A 都是标准参数，不能改变，而要测第二激 发电位需要使电子获得能量，必须增大 Ug1k。2.夫兰克赫兹管中还能充什么其它气体，为什么？答：汞蒸气或其他稀有气体。因为汞是单原子分子，结构简单，而且在常温下是液 态，只要改变温度就能大幅度改变汞原子的密度，同时还由于汞的原子量大，电 子与其原子碰撞时，能量损失极
11、小。3、什么是能级？玻尔的能级跃迁理论是如何描述的？ 答：在玻尔的原子模型中，原子是由原子核和核外电子所组成，原子核 位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。在一 定轨道上运动的电子，具有对应的能量，轨道不同，能量的大小也不相同。 这些与轨道相联系、大小不连续的能量构成了能级。 当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级n 跃迁到高 能级m，则原子需吸收一定的能量，该能量的大小为E： Emn 若电子从高能级m 跃迁到低能级n，则原子将放出能量E。4，为什么 IG2AUG2K 曲线上的各谷点电流随 UG2K 的增大而增大？答：电子与汞原子的碰撞有一定的几率，总会有一些电子逃避了碰撞， 穿过栅极而到达板极。 随着 UG2K 的增大， 这些电子的能量增大， 因此在 IG2A UG2K 曲线上的各谷点电流也随着增大。5，本实验的误差来源有哪些？答：1、由于预热不足，使测量值产生误差；2、在实验时，由于电压的步差不可能连续，故测量的峰值会有一定的误差； 3、仪器本身存在一定的误差。
