弗兰克赫兹 实验报告

弗兰克赫兹 实验 近代物理实验报告 实验3-2 夫兰克—赫兹实验 实验室温度:16.5? 实验日期:2013-4-19 【摘要】本实验采用夫兰克(Frank)和赫兹(Hertz)于1914年使用的简单的实验方法，用慢电子轰击稀薄气体的原子，通过研究输出电流和加速电压的曲线关系，测量了氩原子和汞原子的第一激发电位，进而证明了原子分立态的存在。实验结果误差较小。 【关键词】碰撞，激发，夫兰克—赫兹实验仪 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 , 学习关于原子碰撞激发和测量的方法。 , 测量氩原子的第一激发电位。 , 二、实验原理 根据波尔原子模型理论，原子一定轨道上的电子，具有一定的能量，当同一原子的电子从低能量轨道跃迁到较高能量轨道时，就称原子处于受激状态。玻尔理论的前提是波尔提出的两条基本假设:(1)定态假设。原子只能处在一些不连续的稳定状态中，其 E中每一状态相应于一定的能量值();(2)频率定则。当一个原i,1,2,3,...,m,...,n,...i 子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，就吸收或辐射一定频率的电磁波，频率,的大小决定于原子所处两定态之间的能量差，满足: h,,E,Enm 式中代表较高能态，代表较低能态，h为普朗克常数。 EEnm 当电子与原子碰撞时，如果电子能量大于临界能量，二者发生非弹性碰撞，电子把能量传递给原子，使原子从正常态跃迁到第一激发态。假设初速为零的电子在电位差V的加速下具有激发速度，则有: v 12eV,mv,E,Egenm 2 V其中为第一激发电位，即临界电位，这是当电子具有的能量恰好使原子从正常态跃g 迁到第一激发态时的加速电压。 V,Vg当时，电子与原子只能发生弹性碰撞，碰撞前后电子能量几乎不变，只改变运动方向。 三、实验内容和装置 本实验有两种实验方法:手动测量和示波器测量，下面分别加以叙述。 (一)手动测量 1. 测量氩原子第一激发态 1) 图一为夫兰克—赫兹实验仪。打开电源开关，切换“手动”档，微电流倍增开 -9关置于“10”; 2) 调节灯丝电压、控制栅电压、拒斥电压至参考值; VVVG1KG2AH 3) 旋转第二栅极电压调节旋钮，测定曲线。使缓慢增加，每VVI,VG2KG2KAG2K 增加1V，记录相应的值。 IA 图一 2(测量汞原子第一激发态 1) 如图二所示连接电路，加热Hg至指定温度(185?)使Hg汽化 ; 、控制栅电压、拒斥电压至参考值; 2) 调节灯丝电压VVVG1KG2AH 3) 手动工作方式粗测。缓慢调节“手动调节”电位器，增大加速电压，电流大小的变化即表明峰谷信号的变化(加速电压达到50~60V时，约有十个峰出现)。 图二 (二)示波器测量 1) 打开电源开关，切换“自动”档; VV2) 调节灯丝电压、控制栅电压、拒斥电压至参考值，预热十分钟，VG1KG2AH 等带波形稳定后再测量; 3) 将仪器上的“同步信号”与示波器的“同步信号”相连，“Y”与示波器的“Y”相连。“Y增益”一般置于“0.1V”档;“时基”一般置于“1ms”档，此时示波器 上显示出夫兰克—赫兹曲线; 4) 调节“实际微调”旋钮，使一个扫描周期正好布满示波器的10格，扫描电压 最大为120V，量出各峰值的水平距离(格数)，乘以12V/格，即为各峰值对应的VG2K 值，用逐差法求出氩原子第一激发电位。 四、数据处理和 (一)手动测量 1. 测量氩原子第一激发态 缓慢增大，每增大1V记录数据，如表一。 VG2K 表一 VVVVVVIIIIIIG2KG2KG2KG2KG2KG2KPPPPPP(V) (nA) (V) (nA) (V) (nA) (V) (nA) (V) (nA) (V) (nA) 1 0 21 30 41 23 61 31 81 72 101 67 2 0 22 31 42 33 62 20 82 71 102 73 3 0 23 32 43 42 63 20 83 66 103 79 4 0 24 31 44 47 64 30 84 60 104 85 5 0 25 29 45 49 65 41 85 51 105 90 6 0 26 26 46 49 66 53 86 46 106 93 7 0 27 21 47 45 67 60 87 45 107 94 8 0 28 17 48 39 68 64 88 49 108 92 9 0 29 19 49 28 69 65 89 57 109 89 10 0 30 24 50 17 70 63 90 64 110 86 11 0 31 30 51 13 71 57 91 71 111 84 12 0 32 35 52 20 72 49 92 77 112 83 13 0 33 38 53 33 73 39 93 80 113 85 14 0 34 40 54 44 74 31 94 81 114 88 15 0 35 40 55 52 75 31 95 79 115 93 16 7 36 37 56 57 76 39 96 74 116 99 17 17 37 30 57 57 77 49 97 69 117 104 18 23 38 22 58 55 78 58 98 64 118 109 19 26 39 14 59 50 79 66 99 62 119 112 20 28 40 14 60 42 80 70 100 63 120 113 用Origin作图，得到氩原子的曲线，如图三。 I,VAG2K 图三 拾取多峰后得到如下数据，见表二，并线性拟合如图四。 表二 1 2 3 4 5 6 7 8 峰值序号 峰值位置 23.08752 34.40693 45.35318 57.04575 69.04931 80.74189 93.92714 107.0502 图四 从图中可以读出本次试验参数下的氩原子第一激发点位(即曲线斜率) ，，V,11.95V0 11.95-11.52,,，100%,3.7%氩原子的第一激发电位理论值为11.52V，相对误差 11.52 2. 测量汞原子第一激发态 缓慢增大，每增大1V记录数据，如表三。 VG2K 表三 -8-8-8(10A) (10A) (10A) IIIPPP(V) (V) (V) VVVG2KG2KG2K 1 0 21 1.8 41 3.0 2 0 22 2.2 42 4.5 3 0 23 3.8 43 7.0 4 0 24 2.2 44 6.5 5 0 25 1.8 45 4.5 6 0.2 26 1.8 46 3.5 7 0.6 27 3.0 47 5.0 8 0.8 28 4.2 48 7.5 9 0.8 29 3.0 49 8.0 10 0.8 30 2.0 50 5.8 11 0.8 31 2.2 51 12 1.0 32 3.8 52 13 1.9 33 5.2 53 14 1.0 34 4.2 54 15 0.9 35 2.4 55 16 1.0 36 2.2 56 17 1.9 37 4.1 57 18 2.5 38 6.3 58 19 1.8 39 5.2 59 20 1.6 40 3.0 60 用Origin作图，得到氩原子的曲线，如图五。 I,VAG2K 图五 拾取多峰后得到如下数据，见表四，并线性拟合如图六。 表四 1 2 3 4 5 6 7 8 9 峰值序号 峰值位置 8.14083 12.93869 18.05642 23.01422 27.99867 33.11639 38.07419 43.03199 48.92270 图六 从图中可以读出本次试验标准参数下的汞原子第一激发点位(即曲线斜率) ，，V,5.0V0 5.0-4.9,,，100%,2.0%氩原子的第一激发电位理论值为4.9V，相对误差 4.9 (二)示波器测量 从示波器观察到的波形如图七: 图七 表五记录了波峰间隔。 表五 峰值序号 1 2 3 4 5 6 7 8 24.0 33.6 45.6 56.4 68.4 79.2 92.4 104.4 (V) VG2K 1(V) ，，V,V,V，V,V，V,V，V,V,11.605162738416 ,V,V,Vii，1i n211,V,V，，2222222,0i22,,，，，，，，，，，，，，，，9.6,11.6，12,11.6，10.8,11.6，12,11.6，10.8,11.6，13.2,11.6，12,11.68.32,,,1i,,，，,,,,,1.1V,,V0,,n,18,17,,,, ，，V,V,,,11.6,1.1(V) 00V0 11.7-11.52氩原子的第一激发电位理论值为11.52V，相对误差,,，100%,1.6% 11.52 五、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。 六、讨论 1. 第一峰值位置为何与第一激发电位有偏差, 答:受V的影响，处的电子有一定初速度，而又由于的影响，并不是VVGGIKG2P1 V,V所有到达的电子都能最终形成电流，理想情况是，电子恰好能形成GG2KG2P2 电流。观察实验得到的三条曲线都在大概10V左右才开始有明显的增大，也说明 V,V时恰好形成电流。这样从电压开始才有的循环往复关VI~VG2KG2PG2PPG2K 系。所以第一激发电位有偏差。 七、结论 本实验采用夫兰克(Frank)和赫兹(Hertz)于1914年使用的简单的实验方法，用慢电子轰击稀薄气体的原子，通过研究输出电流和加速电压的曲线关系，并利用数学工具Origin对数据进行处理，得到了氩原子和汞原子的第一激发电位，分别是11.95V(11.7V)和5.0V，与理论值相对误差较小。进而证明了原子分立态的存在。 【参考文献】 [1]Massachusette Institute of Technology Junior Physics Laboratory, Experiment 7,1997-1978 [2]戴乐山，戴道宣. 近代物理实验. 复旦大学出版社，1995