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-弗兰克-赫兹实验报告
弗兰克-赫兹实验 基础部-物理实验室 弗兰克-赫兹简介 海因里希?鲁道夫?赫兹,德国物理学家,于1888年首先证实了电磁波的存在,并对电磁学有很大贡献,故频率的国际单位制单位“赫兹”以他的名字命名。 弗兰克-赫兹实验简介 原子能级的存在最早是从光谱学的研究中推断出来的。1914年,弗兰克和赫兹采用慢电子和稀薄气体原子碰撞的方法,测得原子吸收或发射的能量是不连续的,从而证明了原子能级的存在,弗兰克和赫兹也由于这一杰出的贡献共同获得了1925年的诺贝尔物理学奖。 实验目的 通过测定(氩)原子的第一激发电位U0,证明玻尔原子能级的存在,了解原子能级的量子化结构。 了解夫兰克-赫兹实验的设计思想和实验方法。 实验原理——玻尔原子模型 玻尔关于原子理论的两个基本假设: 1)定态假设:原子只能较长久地停留在一些定态,原子在定态时不发射也不吸收能量,各定态的能量是不连续的值E1、E2、E3、…。 2)跃迁假设:原子从一个定态E2跃迁到另一个定态E1时,要辐射出一个光子,其频率是一定的,满足: hυ=E2-E1 实验原理——玻尔原子模型 一般情况下,原子的最外层电子都是处于基态的。 当原子受到外部能量的作用后,其最外层电子就会跃迁到高能级上,变为激发态原子,eU0=E2-E1 。 激发态原子极不稳定,在极短时间内就会重新跃迁回基态,并将其吸收的能量以光子形式释放出去,hυ=E2-E1 。每一种跃迁都会发射出一种波长的光,在光谱中相应的产生一种谱线。 元素 汞(Hg) 钠(Na) 钾(K) 锂(Li) 镁(Mg) 氖(Ne) 氩(Ar) U0(V) 4.9 2.12 1.63 1.84 3.2 18.6 13.1 l(?) 2537 5890 5896 7664 7699 6707.8 4571 6402.2 8115.3 第一激发电位 eU0=E2-E1 hυ=E2-E1 实验原理——第一激发电位 IA-UG2K曲线 弗兰克-赫兹实验线路原理图 氩原子 UG2K=U1 电子与原子第一次碰撞,将eU0能量传递给原子 UG2K=U2 UG2K=U3 E≤e?VG2A时:电子未能穿越板极A形成电流,栅极电流为零! E≥e?VG2A时:电子穿越板极A形成电流,且随着VG2K的增大,能够穿越的电子数量越来越多,电流IA增大! 与原子碰撞交出能量的电子数量增多,能量损失后未能穿越板极A,电流减小! 与原子碰撞后剩余能量足以穿越板极A的电子数量增多,电流增大! 实验原理——弗兰克赫兹实验 第一激发电位与电流变化的关系 IA-UG2K曲线 U0 U0 U0 U0 U0 原子第一激发电位等于相邻两个峰电流(或谷电流)对应的电压差。 电流显示 电流显示档位转换 电压显示 电压显示档位转换 电压调节 左右位置 选择按钮 增大减小 调节按钮 1、各旋钮逆时针旋至底,接通导线,检查无误后开机,预热5min。【电子逸出过程与热能有关,需要一定的稳定时间,故需预热!】 2、自动/手动测量: (1)“自动/手动”; (2)参数设置:参考机箱盖上提供数据; (3)“启动/增加VG2K 电压”; (4)查阅数据,记录谷底或峰尖对应 VG2K 电压,并计算第一激发电位U0。 3、按下“自动/手动”键,将数据清零。 实验内容 1、为什么相邻电流峰值对应的电压之差就是第一激光电位? 答:当电子能量达到eUG2K (UG2KU0) 时,与所测原子(例如氩原子)碰撞从而失去eU0的能量,由于存在拒斥电压,电子将不能够穿越板极形成电流,电流下降形成第一个峰。当电子能量UG2K2U0时,电子在G2K之间又会因第二次非弹性碰撞而失去能量2eU0 ,于是出现第二个峰值。根据上述分析可知,能量转移随着加速电压的增加而呈现周期性的变化,所以电流峰值对应的电压差就是第一激发电位。 思考题 2、谷电流为什么不为零? 答:由于电子在栅极G2附近跟氩原子发生碰撞存在一定的几率,总有一部分电子在栅极附近未与氩原子发生碰撞而直接到达A极形成电流,因此谷电流不等于零。 3、为什么随着UG2K的增加,IA的峰值越来越高? 答:因为随着UG2K的增加,能够穿越A极的电子数量越来越多,电流IA越来越大。 思考题 4、为什么第一激发电位(~11.6V)不等于曲线第一个峰的电压(~22V)? 答:a、拒斥电压的存在(~8V) b、F-H管的阴极K和栅极G2往往由不同的金属材料制作,因此会产生接触电势差,使电子实际的加速电压不等于UG2K,这将影响F-H实验曲线第一个峰的位置。 5、为什么曲线的峰值是缓慢过渡的,而不是瞬间达到的? 分析原因:灯丝发射电子的初动能并不是完全确定的一个值,而是满足一个正态分
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