夫兰克赫兹大物实验文档格式.docx
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(2)原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时,辐射频率是一定的。
若用Em和En表示有关两定态的能量,辐射频率决定于关系式
,其中普朗克常数
。
原子稳定态的改变通常在两种情况下发生,一是当原子本身吸收或发出电磁辐射时,二是通过原子与其他粒子的碰撞交换能量而实现。
本实验中为了使原子从低能级向高能级跃迁,通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。
如以E1代表原子的基态能量、E2代表原子的第一激发态的能量,那么当原子从电子传递来的能量恰好满足
时,原子就会从基态跃迁到第一激发态,而相应的电势差称为原子的第一激发电势(或称原子的中肯电势)。
夫兰克一赫兹实验的原理图如图1所示,核心部分是一个充氩气的四极管,电子由热阴极K发出。
第一栅极的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。
阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。
在阳极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压UG2A。
管内空间电势分布如图2所示。
当电子通过KG2空间进入G2A空间时,如果有较大的能量(≥eUG2A),就能冲过反向拒斥电场而到达阳极形成电流,被微电流计检出。
如果电子在KG2空间与原子碰撞,把自己一部分能量传给原子而使后者激发,电子本身剩余的能量就很小,以致通过第二栅极后已不足以克服拒斥电场而被折回到第二栅极,这时,通过微电流计的电流将显著减小。
实验时,使UG2K电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示,如果原子能级确实存在,而且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话,就能观察到如图3所示的IA~UG2K曲线。
图3所示的曲线反映了原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。
当KG2空间电压逐渐增加时,电子在KG2空间被加速而获得越来越大的能量。
但起始阶段,由于电压较低,电子的能量较少,即使在运动过程中他与原子相碰撞也只有微小的能量交换(为弹性碰撞)。
穿过第二栅极的电子所形成的电流IA将随第二栅极电压UG2K的增加而增大(如图3的oa段)。
当KG2间的电压达到原子的第一激发电位U0时,电子在第二栅极附近与原子相碰撞,将自己从加速电场中获得的全部能量交给后者,并且使后者从基态激发到第一激发态。
而电子本身由于把全部能量给了原子,即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回第二栅极(被筛选掉)。
所以阳极电流将显著减小(图3所示ab段)。
随着第二栅极电压的增加,电子的能量也随之增加,在与原子相碰撞后还留下足够的能量,可以克服反向拒斥电场而到达阳极A,这时电流又开始上升(bc段)。
直到KG2间电压是二倍原子的第一激发电位时,电子在KG2间又会因二次碰撞而失去能量,因而又会造成第二次阳极电流的下降(cd段),同理,凡在
的情况下,阳极电流IA都会相应下跌,形成规则起伏变化的IA~UG2K曲线。
在UG2K较高的情况下,电子在向栅极飞奔的过程中,将会与原子发生多次碰撞,即出现碰撞—加速—碰撞等重复的过程,而各次阳极电流IA下降时相对应的阴、栅极电势差Un+1-Un即为原子的第一激发电势U0。
IA~UG2K曲线上阳极电流IA并不是突然下降的,而是有一个变化的过程,这是因为阴极发射的电子的初始速度不是完全相同的,服从一定的统计分布规律。
另外,由于电子与原子的碰撞有一定的几率,在大部分电子与原子碰撞而损失能量的时候,还会有一些电子没有发生碰撞而到达了阳极,所以阳极电流不会降为零。
原子处于激发态是不稳定的。
在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态,进行这种反跃迁时,就有eU0电子伏特的能量发射出来。
反跃迁时,原子是以放出光量子的形式向外辐射能量。
这种光辐射的波长为
,对于氩原子
本实验通过实际测量证实原子能级的存在,并测定氩原子的第一激发电势(公认值为
V)。
如果夫兰克-赫兹管中充以其他元素,则可以测量他们的第一激发电势,其他几种元素的第一激发电势见表1。
表1几种元素的第一激发电势
元素
钠(Na)
钾(K)
锂(Li)
镁(Mg)
汞(Hg)
氦(He)
氖(Ne)
U0/V
2.12
1.63
1.84
3.20
4.90
21.20
18.60
三、实验仪器
ZKY-FH型智能夫兰克-赫兹实验仪,微机等。
四、实验内容与要求
1.自动测试
2.使用计算机测绘IA~UG2K曲线
五、注意事项
1.连接测试仪与管子间的连线是,注意A,G,H,K,必须一一对应,不可接错。
2.在实验过程中当UG2K较大时,管子有击穿的可能。
如果管子一旦被击穿,电流会突然增加,此时应迅速把UG2K降低,以防损坏管子。
六、数据处理:
根据只改变灯丝电压时,峰值谷值数据
第一栅压2.0拒斥电压8.0V
根据数据可求:
1.当灯丝电压Uf=3.1V时,U谷平与理论值的误差n谷=1.08%,n峰=2.17%
根据峰谷的结果取平均值求得氢原子的第一激发电势
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.3V,与理论值误差n=1.7%
同理:
2.当灯丝电压Uf=3.3V时,U谷平与理论值的误差n谷=0,n峰=1.08%
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.44V,与理论值误差n=0.5%
3.当灯丝电压Uf=3.5V时,U谷平与理论值的误差n谷=2.18%,n峰=3.26%
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.4375V,与理论值误差n=0.54%
4.当灯丝电压Uf=3.7V时,U谷平与理论值的误差n谷=3.9%,n峰=0
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.725V,与理论值误差n=2.0%
由以上数据计算得出:
实验所得数据合理,求得的氢原子第一激发电势在误差允许范围内。
根据只改变拒斥电压时,峰值谷值数据
灯丝电压3.5v,第一栅压2.0v.
1.当拒斥电压Ug1k=6.0V时,U谷平与理论值的误差n谷=0,n峰=3.26%
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.3125V,与理论值误差n=1.6%
2.当拒斥电压Ug1k=7.0V时,U谷平与理论值的误差n谷=0,n峰=2.17%
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.375V,与理论值误差n=1.08%
3.当拒斥电压Ug1k=8.0V时,U谷平与理论值的误差n谷=2.17%,n峰=3.26%
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.4375V,与理论值误差n=0.54%
4.当拒斥电压Ug1k=9.0V时,U谷平与理论值的误差n谷=1.08%,n峰=2.17%
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.3V,与理论值误差n=1.7%
根据只改变第一栅压时,峰值谷值数据
灯丝电压3.5v,拒斥电压8.0v
1.当第一栅压UG2A=1.8v时,U谷平与理论值的误差n谷=1.08%,n峰=1.06%
U0=(U谷平+U峰平)/2=11.5V,与理论值误差n=0
2.当第一栅压UG2A=2.0v时,U谷平与理论值的误差n谷=0,n峰=3.26%
3.当第一栅压UG2A=2.2v时,U谷平与理论值的误差n谷=1.08%,n峰=1.06%
1.改变灯丝电压,研究其对实验的影响:
通过比较有:
(1)灯丝电压的变化对极板电流的影响非常剧烈;
(2)在其他条件相同的情况下,灯丝电压越高,极板电流越大。
(3)不同曲线峰值谷值在出现在相同电压时出现。
分析:
灯丝电压变大导致灯丝实际功率变大,灯丝的温度升高,从而在其他参数不变得情况下,单位时间到达极板的电子数增加,从而极板电流增大。
灯丝电压不能过高或过低。
因为灯丝电压的高低,确定了阴极的工作温度,按照热电子发射的规律,影响阴极热电子的发射能力。
灯丝电位低,阴极的发射电子的能力减小,使得在碰撞区与汞原子相碰撞的电子减少,从而使板极A所检测到的电流减小,给检测带来困难,从而致使
曲线的分辨率下降;
灯丝电压高,按照上面的分析,灯丝电压的提高能提高电流的分辨率。
但灯丝电压高,致使阴极的热电子发射能力增加,同时电子的初速增大,引起逃逸电子增多,相邻峰、谷值的差值却减小了。
2.改变拒斥电压,研究其对实验的影响
曲线分析:
随着拒斥电压增大,曲线下移,峰值谷值都相应降低。
灯丝电压不变,拒斥电压变大,被拒斥极阻挡的电子变多,到达阳极的电子减少,阳极电流变小。
这时需要更大的阳极电压才能达到同样的电流,所以实验曲线向下移动。
3.只改变第一栅压,研究其对实验的影响
当第一栅压增大或者减小时曲线都会相应下移,并且随增大多少下移幅度接近。
七、思考与讨论
(1)灯丝电压对F-H实验的IA~UG2K曲线形状有何影响?
对第一激发电势的测量有何影响?
答:
灯丝电压的变化对极板电流的影响非常剧烈,使曲线变得细高,但对第一激发电势基本无影响。
(2)从IA~UG2K曲线上可以看到阳极电流并不是突然下降,而是有一个变化的过程,这是为什么?
因为阳极发射的电子的初始速度各异,服从一定统计规律,故阳极电流并非突然下降,而有一定的变化过程。
(3)从IA~UG2K曲线可看出,IA值在出现峰值后并不是降为零,为什么?
并不是每一个电子都可能会与氢原子相碰,没有发生碰撞的电子到达阳极,从而使电流不会降为零。
八、实验总结
通过本实验我学会了夫兰克-赫兹实验仪的使用,了解了实验原理,对波尔理论有了更深一步的认识,同时学会了将微观过程与宏观过程物理量相结合的实验法。
首先在实验操作的时候,由于实验比较繁杂,而且需要的时间较久,所以做实验时需要足够的耐心,还有细心。
否则一旦出现错误。
又要重新开始繁琐的细节,这样反而更影响试实验的心情,加剧烦躁的心情。
所以一开始的耐心和细心很重要。
这也是实验的基本常识。
通过这次实验,我更是明白了耐心和细心对实验的影响。
另外,在课后的实验处理中,也是一大考验。
首先,这是我第一次使用电脑处理数据。
经过这一次实验,懂得了怎么用电脑处理数据。
然后是超大量的实验数据处理。
这更需要足够的耐心和细心了。
不可出现误输。
否则肯定会影响实验的最终结果的正确性。
最后是图标的分析,也是一大难点。
总之,这次实验使我学会了很多东西。
是一次难忘的实验。
另外感谢老师的教导和帮助。
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