弗兰克赫兹实验报告.doc

弗兰克赫兹实验 实验背景：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，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。 一、实验目的 通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。 学习测量微电流的方法。 二、实验原理 （一）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。 汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个6s 电子组成的，较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构成的单能级和， 和组成的三能级。只有为允许自发跃迁态：,发出波长为253.7nm的紫外光，对应能量为。 和为亚稳态，因的跃迁属于禁戒跃迁，所以通常把态称为汞的第一激发态。 （二）原理说明 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。 以下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。 三、实验仪器 F—H 实验管， WMZK—01 温度控制仪，电脑化X—Y 记录仪，FH—II 型夫兰克—赫兹实验仪 四、实验数据与结论 （一）标准系统参数： 灯丝电压；加速电压；反向拒斥电压；温度 图5 利用Origin拾取峰值后得到如下数据（表1），并线性拟合如图6： 1 8295.115 2 13000.72 3 17902.38 4 22755.02 5 27803.73 6 32803.41 7 38097.21 8 43391 9 48243.64 10 53439.14 11 58733.2 12 64149.53 13 69320.79 14 74614.58 15 79614.27 表1 图6 从图中可以读出本次试验标准参数下的原子第一激发点位（及曲线斜率）。 （二）改变温度，研究温度对曲线的影响： 灯丝电压；加速电压；反向拒斥电压 分别测，，下的数据与上述数据对比。用类似的处理方法，有以下数据（表2）： n 170 180 190 200 1 8089 8295.115 8272.492 8263.694 2 12868.12 13000.72 13174.15 12479.12 3 17696.25 17902.38 17683.68 17135.7 4 22941.03 22755.02 22585.34 22380.48 5 27695.64 27803.73 27683.07 27478.21 6 32793.36 32803.41 32682.45 32575.94 7 38087.16 38097.21 37682.45 37747.18 8 43282.91 43391 42976.25 42771.38 9 48282.6 48243.64 48270.04 48065.19 10 53576.4 53439.14 53294.25 53211.92 11 58919.21 58733.2 58710.57 58309.65 12 64016.95 64149.53 63808.3 63456.39 13 69212.7 69320.79 69102.09 68701.16 14 74457.48 74614.58 74371.39 73798.9 15 79898.32 79614.27 79885.75 79288.75 5.1411 5.1278 5.1262 5.1118 表2 通过比较有： （1）Hg原子的第一激发电位在5.1V左右； （2）实验中第一峰值并不在4.9V处，而是沿轴向右平移； （3）随着温度的升高，第一激发电位有小幅下