弗兰克赫兹实验报告内容文档格式.docx

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供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。

原理

玻尔的原子理论指出:

①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……，处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。

原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是使原子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时，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。

如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定:

hv=|Em-En|

（1）

式中:

h为普朗克常量。

原子从低能级向高能级跃迁，也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来实现。

本实验即让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。

设汞原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是E2-E1。

初速度为零的电子在电位差为U的加速电场作用下具有能量eU，若eU小于E2-E1这份能量，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。

当电子的能量eU≥E2-E1时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸收相当于E2-E1的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。

设使电子具有E2-E1能量所需加速电场的电位差为U0，则

eu0=E2-E1

（2）

U0为汞原子的第一激发电位（或中肯电位），是本实验要测的物理量。

实验方法是，在充汞的F-H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。

第一栅极对电子加速起缓冲作用，避免加速电压过高时将阴极损伤。

在板极P和G2间加反向拒斥电压UpG2。

当电子通过KG2空间，如果具有较大的能量（≥eUpG2）就能冲过反向拒斥电场而达到板极形成板流，被微电流计pA检测出来。

如果电子在KG2空间因与汞原子碰撞，部分能量给了汞原子，使其激发，本身所剩能量太小，以致通过栅极后不足以克服拒斥电场而折回，通过电流计pA的电流就将显著减小。

实验时，使栅极电压UG2K由零逐渐增加，观测pA表的板流指示，就会得出如图2所示Ip~UG2K关系曲线。

它反映了汞原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。

当UG2K逐渐增加时，电子在加速过程中能量也逐渐增大，但电压在初升阶段，大部分电子达不到激发汞原子的动能，与汞原子只是发生弹性碰撞，基本上不损失能量，于是穿过栅极到达板极，形成的板流Ip随UG2K的增加而增大，如曲线的oa段。

当UG2K接近和达到汞原子的第一激发电位U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，使汞原子获得能量后从基态跃迁到第一激发态。

碰撞使电子损失了大部分动能，即使穿过栅极，也会因不能克服反向拒斥电场而折回栅极。

所以Ip显著减小，如曲线的ab段。

当UG2K超过汞原子第一激发电位，电子在到达栅极以前就可能与汞原子发生非弹性碰撞，然后继续获得加速，到达栅极时积累起穿过拒斥电场的能量而到达板极，使电流回升（曲线的bc段）。

直到栅压UG2K接近二倍汞原子的第一激发电位（2U0）时，电子在KG2间又会因两次与汞原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥电场，使板流第二次下降（曲线的cd段）。

同理，凡（3）处，Ip都会下跌，形成规则起伏变化的Ip~UG2K曲线。

而相邻两次板流Ip下降所对应的栅极电压之差，就是汞原子的第一激发电位U0。

处于第一激发态的汞原子经历极短时间就会返回基态，这时应有相当于eU0的能量以电磁波的形式辐射出来。

由式

（2）得

eU0=hν=h·

c/λ（4）

c为真空中的光速;

λ为辐射光波的波长。

利用光谱仪从F-H管可以分析出这条波长λ=253.7（nm）的紫外线。

附:

几种常见元素的第一激发电势（U0）

元素

钠（Na）

钾（K）

锂（Li）

镁（Mg）

汞（Hg）

氦（He）

氖（Ne）

U0/V

2.12

1.63

1.84

3.2

4.9

21.2

18.6

实验要求

1）测绘F-H管Ip~UG2K曲线，确定汞原子的第一激发电位

（1）加热炉加热控温。

将温度计棒插入炉顶小孔，温度计棒上有一固定夹用来调节此棒插入炉中的深度，固定夹的位置已调整好，温度计棒插入小孔即可。

温度计棒尾端电缆线连接到”传感器”专用插头上，将此传感器插头插入控温仪后面板专用插座上。

接通控温电源，调节控温旋钮，设定加热温度（本实验约180℃），让加热炉升温30min，待温控继电器跳变时（指示灯同时跳变）已达到预定的炉温。

（2）测量F-H管的Ip~UG2K曲线。

实验仪的整体连接可参考图3，将电源部分的UF调节电位器、扫描电源部分的”手动调节”电位器旋钮旋至最小（逆时针方向）。

扫描选择置于”手动”挡。

微电流放大器量程可置于10-7A或10-8A挡（对充汞管）。

待炉温到达预定温度后，接通两台仪器电源。

根据提供的F-H管参考工作电压数据，分别调节好UF、UG1、UG2，预热3~5min。

（a）手动工作方式测量。

缓慢调节”手动调节”电位器，增大加速电压，并注意观察微电流放大器出现的峰谷电流信号。

加速电压达到50V~60V时约有10个峰出现。

在测量过程中，当加速电压加到较大时，若发现电流表突然大幅度量程过载，应立即将加速电压减少到零，然后检查灯丝电压是否偏大，或适当减小灯丝电压（每次减小0.1V~0.2V为宜）再进行一次全过程测量。

逐点测量Ip~UG2K的变化关系，然后，取适当比例在毫米方格纸上作出Ip~UG2K曲线。

从曲线上确定出Ip的各个峰值和谷值所对应的两组UG2K值，把两组数据分别用逐差法求出汞原子的第一激发电位U0的两个值再取平均，并与标准值4.9V比较，求出百分差。

若在全过程测量中，电流表指示偏小，可适当加大灯丝电压（每次增大0.1V~0.2V为宜）

（b）自动扫描方式测量。

将”手动调节”电位器旋到零，函数记录仪先不通电，调节”自动上限”电位器，设定锯齿波加速电压的上限值。

可先将电位器逆时针方向旋到最小，此时输出锯齿波加速电压的上限值约为50V，然后将”扫描选择”开关拨到”自动”位置。

当输出锯齿波加速电压时，从电流表观察到峰谷信号。

锯齿波扫描电压达到上限值后，会重新回复零，开始一次新的扫描。

在数字电压表、电流表上观察到正常的自动扫描及信号后，可采用函数记录仪记录。

记录仪的X输入量程可置于5V/cm档，Y输入量程可按电流信号大小来选择，一般可先置于0.1V/cm档。

开启记录仪，即可绘出完整的Ip变化曲线。

注意事项

（1）实验装置使用220V交流单相电源，电源进线中的地线要接触良好，以防干扰和确保安全。

（2）函数记录仪的X输入负端不能与Y输入的负端连接，也不能与记录仪的地线（⊥）连接，否则要损坏仪器。

（3）实验过程中若产生电离击穿（即电流表严重过载现象）时，要立即将加速电压减少到零。

以免损坏管子。

（4）加热炉外壳温度较高，移动时注意用把手，导线也不要靠在炉壁上，以免灼伤和塑料线软化。

弗兰克赫兹实验报告内容2

实验题目：

弗兰克赫兹实验

实验器材：

F-H实验管、恒温加热电炉、F-H实验装置、示波器。

实验内容：

1.熟悉实验装置，掌握实验条件。

该实验装置由F-H管、恒温加热电炉及F-H实验装置构成，其装置结构如下图所示：

C:

DocumentsandSettingsAdministrator.EUPMS_1.000桌面3.jpg

F-V管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。

一般温度在100º

C至250º

C。

并且由于Hg对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。

灯丝电压控制着阴极K发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个峰的位置，是一个关键的条件。

2.测量Hg的第一激发电位。

1）起动恒温控制器，加热地F-H管，使炉温稳定在157º

C，并选择合适的灯丝电压，VG1K=2.5V，VG2p=1.5V，Vf=1.3V。

2）改变VG2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.2V记录一个数据）。

3）作数据处理，作出对应的Ip-VG2k图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。

3.测Ar原子的第一激发电位。

1）调节好相关的数据：

Vp=8.36V，VG1=1.62V，VG2k=0~100V，Vf=2.64V;

2）将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的Ip-VG2k图，是否符合实验要求（有六个以上的波峰）。

再将相关档位调到手动档位。

3）手动改变VG2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.05V记录一个数据）。

4）作数据处理，作出对应的Ip-VG2k图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。

4.得出结论。

原始数据:

1.Vf=1.3VVG1K=2.5VVG2p=1.5VT=157º

C

求汞原子的第一激发电位的数据表

大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客

2.Vp=8.36VVG1=1.62VVG2k=0~100VVf=2.64V

求Ar原子的第一激发电位的数据表

数据处理：

1.求Hg原子的第一激发电位。

将在实验中记录下的数据，以点的形式描在x-y坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图形为：

大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客

得到的七个峰值（Ip），对应的UG2K依次为：

U1=7.0V,U2=11.6V,U3=16.0V,U4=21.0V,U5=25.8V,U6=30.6V,U7=35.6V.

设Ux为Hg的第一激发电位，则有下列式子（逐差法）：

4*Ux1=U5-U1=25.8V-7.0V=18.8V,Ux1=4.7V;

4*Ux2=U6-U2=30.6V-11.6V=19.0V,Ux2=4.8V;

4*Ux3=U7-U3=35.6V-16.0V=19.6V,Ux3=4.9V

则大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客=大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客=4.8V.

不确定度分析：

uA=大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客

u0.68=1.32*uA=1.32*0.06V=0.08V.

则Ux=大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客u0.68=4.8大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客0.08V.

2.求Ar原子的第一激发电位。

得到的六个峰值（Ip），对应的UG2K依次为：

U1=3.00V,U2=4.15V,U3=5.35V,U4=6.60V,U5=7.90V,U6=9.20V.

3*Ux1=U4-U1=6.60V-3.00V=3.60V,Ux1=1.20V;

3*Ux2=U5-U2=7.90V-4.15V=3.75V,Ux2=1.25V;

3*Ux3=U6-U3=9.20V-5.35V=3.85V,Ux3=1.28V

则

大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客=大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客=1.24V.

u0.68=1.32*uA=1.32*0.023V=0.030V.

则Ux=大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客u0.68=1.24大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客0.030V.

结论：

由此可得，Hg的第一激发电位UxHg=4.8大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客0.08V，而Ar原子的第一激发电位为UxAr=1.24大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验-zhou198865-zhou198865的博客0.030V。

思考题：

说明温度对充汞F-H管Ip-VG2k曲线影响的物理机制。

答：

，在一定温度下（一般在发100º

C），才可得到合适压强的汞蒸气，这时汞原子的密度也是合适的。

汞蒸气对温度非常敏感，如果温度不在合适范围之内，会影响到汞原子在F-H管内的密度。

如果温度较低，会导致F-H管中汞原子的密度较小，就进一步为汞原子专门提供与电子碰撞，这就使得电子的平均自由程变大，电子有机会使积蓄的能量超过4.9V，从而使高激发态的激发概率迅速增加，会Ip有了对应的峰，并在Ip-VG2kr曲线上有对应的峰，出现高激发态时的电位，这就会影响到实验的结果。

如果温度较高，汞管内的密度较大，使电子每次能量到达4.9eV时，有足够大的概率与汞原子发生能量交换，使得电子的速度重新回到零，并需要重新加速，直到再次到达4.9eV，又与汞原子发生能量交换…….始终都在在基态和第一激发态之间，并且在Ip-VG2K曲线中会表现出有多个峰值，并且都是处在第一激发态上。

则会使所以说，在实验中对汞的温度也有一定的讲究：

过高时，则在Ip-VG2k曲线上会出现多个峰;

过低则会使得出现高激发态上的峰值，在图中表现为，两个峰值的距离会加大。

实验心得:

1.实验过程中，开始时使用的仪器，在调好了相关数据后，进行读数时，发现数据变化很小、，这就增大了读取数据的误差。

后来换了一台仪器，读取时,电流随电压的改变而改变的幅度变大，这就大大减小了读取数据的误差，也使得实验中测量Hg的第一激发电位较为准确。

所以我觉得在实验开始时调整好实验仪器，也是一件非常重要的事。

2.在实验过程中，一定要定下心来。

实验中读取数据有的时候是一件很枯燥单调的事，当需要读取的数据很多时，容易变得浮躁，使得会出现读取错误的情况。

这就需要我们能够冷静自我，一心一意地去做自己要做的事，把需要实验的步骤做好。

这很重要。