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实验二弗兰克赫兹实验
一、实验目的
1.了解弗兰克—赫兹实验的原理和方法,测定汞的第一激发电位,验证原子能级的存在;
2.练习使用微机控制的实验数据采集处理系统;
二、实验原理
玻尔的原子模型指出:
原子是由原子核和核外电子组成的。
原子核位于原子的中心,电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。
对于不同的原子,在轨道上运动的电子分布各不相同。
在一定轨道上运动的电子,具有对应的能量。
当一个原子内的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时,该原子就处于一种受激状态。
如图l所示,若轨道上为正常状态,则电子从轨道Ⅰ跃迁到轨道Ⅱ时,该原子处于第一激发态;电子跃迁到轨道Ⅲ,原子处于第二激发态。
图中,E1、E2、E3分别是与轨道l、Ⅱ、Ⅲ相对应的能量。
当原子状态改变时,伴随着能量的变化。
若原子从低能级En态跃迁到高能级Em态,则原子需吸收一定的能量△E:
(1)
原子状态的改变通常有两种方法:
一是原子吸收或放出电磁辐射;二是原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。
本实验利用慢电子与氩原子相碰撞,使氩原子从正常状态跃迁到第一激发态,从而证实原子能级的存在。
由玻尔理论可知,处于正常状态的原子发生状态改变时,所需能量不能小于该原子从正常状态跃迁到第一激发态所需的能量,这个能量称临界能量。
当电子与原子相碰撞时,如果电子能量小于临界能量,则电子与原子之间发生弹性碰撞,电子的能量几乎不损失。
如果电子的能量大于临界能量,则电子与原子发生非弹性碰撞,电子把能量传递给原子,所传递的能量值恰好等于原子两个状态间的能量差,而其余的能量仍由电子保留。
电子获得能量的方法是将电子置于加速电场中加速。
设加速电压为U,则经过加速后的电子具有能量eU,e是电子电量。
当电压等于Ug时,电子具有的能量恰好能使原子从正常状态跃迁到第一激发态.因此称Ug为第一激发电势。
弗兰克一赫兹实验的实验原理图如图1所示。
电子与原子的碰撞是在充满氩气的F—H管(弗兰克一赫兹管)内进行的。
F-H管包括灯丝附近的阴极K,两个栅极G1、G2.板极A。
第一栅极G1靠近阴极K,目的在于控制管内电子流的大小,以抵消阴极附近电子云形成的负电势的影响。
当F—H管中的灯丝通电时,加热阴极K,由阴极K发射初速度很小的电子。
在阴极K与栅极G2之问加上一个可调的加速电势差VG2,它能使从阴极K发射出的电子朝栅极G2加速。
由于阴极K到栅极G2之间的距离比较大,在适当的气压下,这些电子有足够的空间与氩原子发生碰撞。
在栅极G与板极A之问加一个拒斥电压VG2,当电子从栅极G2进入栅极G2与板极A之问的空间时,电子受到拒斥电压VG2产生的电场的作用而减速,能量小于e VG2的电子将不能到达板极A。
图1
当加速电势差VG2由零逐渐增大时,板极电流IP也逐渐增大,此时.电子与氩原子的碰撞为弹性碰撞。
当VG2增加到等于或稍大于氩原子的第一激发电势Ug时,在栅极G2附近.电子的能量可以达到临界能量,因此,电子在这个区域与原子发生非弹性碰撞,电子几乎把能量全部传递给氩原子,使氩原子激发。
这些损失了能量的电子就不能克服拒斥电场的作用而到达板极A,因此板极电流IP将下降。
如果继续增大加速电压VG2,则在栅极前较远处,电子就已经与氩原子发生了非弹性碰撞,几乎损失了全部能量。
但是,此时电子仍受到加速电场的作用,因此,通过栅极后,电子仍具有足够的能量克服拒斥电场的作用而到达板极A,所以。
板极电流IP又开始增大。
当加速电压VG2增加到氩原子的第一激发电位Ug的2倍时,电子和氩原子在阴极K和栅极G2之问的一半处发生第一次弹性碰撞,在剩下的一半路程中,电子重新获得激发氩原子所需的能量,并且在栅极G。
附近发生第二次非弹性碰撞,电子再次几乎损失全部能量,因此,电子不能克服拒斥电场的作用而到达板极A.板极电流IP又一次下降。
由以上分析可知,当加速电压VG2满足式
(2) :
(2)
时,板极电流IP就会下降。
板极电流IP随加速电压VG2的变化关系如图2所示。
从图中可知,两个相邻的板极电流IP的峰值所对应的加速电压的差值是11.5V。
这个电压等于氩原子的第一激发电势。
图2 IP-VG2曲线图
三、实验仪器
弗兰克-赫兹实验仪、计算机
四、实验内容及步骤
在进行测量之前,需要对冲汞的弗兰克-赫兹管加热,温度可调节。
当弗兰克-赫兹管面板上的温度指示灯变红色时即可调节灯丝电压
、控制栅电压
和减速栅
。
1、联机测量
(1)进入实验:
按照弗兰克-赫兹实验仪面板上的电路图进行电路连接,打开电源
(2)开始实验
A、输入实验参数
B、采集数据
2、手动测量
将“扫描选择”调到“手动”档进入手动测量模式。
观测数字电压显示窗口,不断调节扫描电压,从电流表中读取相应的电流,记录数据,绘制曲线。
3、用步骤1的方法分别测量为140°C、160°C、190°C时的
曲线,研究其差异,并在实验报告中说明造成其差异的原因
五、实验数据
电压/V
电流/nA
电压/V
电流/nA
电压/V
电流/nA
电压/V
电流/nA
电压/V
电流/nA
0.7
1.3
20.7
11.1
40.7
30.6
60.7
32.3
80.7
44.7
1.2
1.3
21.2
10.6
41.2
30.6
61.2
35.8
81.2
41.7
1.7
1.3
21.7
10
41.7
30.2
61.7
38.2
81.7
39.8
2.2
1.3
22.2
9.4
42.2
29
62.2
40.8
82.2
38.4
2.7
1.3
22.7
8.7
42.7
27.7
62.7
43
82.7
38.4
3.2
1.3
23.2
8.1
43.2
25.1
63.2
44.7
83.2
39.3
3.7
1.3
23.7
7.6
43.7
22.5
63.7
45.9
83.7
40.8
4.2
1.3
24.2
8.1
44.2
18.9
64.2
46.8
84.2
43
4.7
1.3
24.7
9.5
44.7
15.7
64.7
47.4
84.7
45.2
5.2
1.3
25.2
11.4
45.2
13.2
65.2
47.4
85.2
47.7
5.7
1.3
25.7
13.3
45.7
11.1
65.7
46.8
85.7
50.2
6.2
1.3
26.2
14.9
46.2
11.8
66.2
45.6
86.2
52.7
6.7
1.4
26.7
17.1
46.7
14
66.7
43.5
86.7
55.4
7.2
1.5
27.2
18.2
47.2
18.3
67.2
41.2
87.2
57.7
7.7
1.6
27.7
19.3
47.7
21.9
67.7
37.8
87.7
60.1
8.2
1.7
28.2
20.2
48.2
24.5
68.2
34
88.2
62
8.7
1.8
28.7
21
48.7
27.2
68.7
30
88.7
63.8
9.2
2
29.2
21.3
49.2
30.1
69.2
26.9
89.2
65.3
9.7
2.2
29.7
21.5
49.7
32.7
69.7
25.1
89.7
66.3
10.2
2.4
30.2
21.4
50.2
34.2
70.2
25.1
90.2
66.6
10.7
2.8
30.7
20.7
50.7
36.1
70.7
26.9
90.7
66.9
11.2
3.7
31.2
19.8
51.2
37.6
71.2
29.3
91.2
66.7
11.7
4.8
31.7
18.5
51.7
38.6
71.7
32.6
91.7
65.5
12.2
5.6
32.2
16.7
52.2
39.1
72.2
35.1
92.2
64.1
12.7
6.8
32.7
12.6
52.7
39.3
72.7
37.7
92.7
62.1
13.2
7.4
33.2
10.8
53.2
39.1
73.2
41.2
93.2
59.8
13.7
8.1
33.7
10.2
53.7
36.5
73.7
44.2
93.7
58.2
14.2
9
34.2
9.2
54.2
34.6
74.2
46
94.2
56.3
14.7
9.6
34.7
9.2
54.7
34.7
74.7
48.9
94.7
55.1
15.2
9.6
35.2
10.5
55.2
31.8
75.2
50.5
95.2
54.7
15.7
10.3
35.7
13.2
55.7
28.2
75.7
52.5
95.7
54.9
16.2
10.9
36.2
15.8
56.2
24.2
76.2
54.1
96.2
55.6
16.7
11.1
36.7
18.6
56.7
20.7
76.7
55.4
17.2
11.5
37.2
20.8
57.2
17.4
77.2
56.1
17.7
11.8
37.7
22.6
57.7
16.1
77.7
56.2
18.2
11.9
38.2
24.7
58.2
17.4
78.2
55.7
18.7
11.7
38.7
26.7
58.7
19.6
78.7
54.8
19.2
11.7
39.2
28.1
59.2
22.7
79.2
53.1
19.7
11.6
39.7
29.1
59.7
26.1
79.7
50.9
20.2
11.4
40.2
30.1
60.2
29.9
80.2
48.7
实验指导老师签名
学生签名
实验指导老师填写
1、实验记录是否完整准确□2、有无涂改抄袭现象□
六、数据处理
Franck-Hertz图
各峰值之间的差为
故Ar的第一激发电位为:
七、习题
1、为什么
呈周期性变化?
当
间电压
逐渐增加时,电子在
空间被加速而取得越来越多的能量。
当电子取得的能量较低时,与氩原子碰撞不足以影响氩原子的内部能量,板极电流
将随
的增加而增加。
当
间加速电压达到氩原子的第一激发电位时,电子在栅极附近
与原子碰撞,将自己的能量传递给原子,使原子从基态被激发到第一激发态。
而电子失去几乎全部动能,这些电子将不能克服拒斥电场而到达板极
,板极电流
开始下降。
继续升高加速电压UG2K,电子获得的动能亦有所增加,这时电子即使在
空间与氩原子相碰撞损失大部分能量,仍留有足够能量可以克服拒斥电场而达到板极
,因而板极电流
又开始回升。
因此,凡在
的地方板极电流都会相应下降。
2、灯丝电压、控制栅电压、拒斥电压的改变对实验结果有何影响,如何解释?
(1)灯丝电压对实验曲线的影响:
灯丝电压越高,曲线位置越高。
这是因为升高灯丝电压,灯丝温度将升高,电子更容易受激发逸出,因此相比低灯丝电压时,参与碰撞的电子密度高。
这样检流计检测到的电流就要大一些,从而出现曲线位置随灯丝电压增大而升高的情况。
(2)控制栅电压对实验曲线的影响:
发逸出,,参与碰撞的电子密度高。
这样检流计检测到的电流就要大一些,会出现曲线位置随灯丝电压增大而升高的情况。
第一栅极电压的影响
为
附近一个小的正向电压,用于驱散附在热阴极上电子云的作用。
增大此电压,将有利于电子逸出进入
空间,使曲线位置上移。
(3)拒斥电压对实验曲线的影响:
阴极拒斥电压用于加热灯丝,升高灯丝电压,灯丝温度将升高,电子更容易受激发逸出,参与碰撞的电子密度高。
这样检流计检测到的电流就要大一些,会出现曲线位置随灯丝电压增大而升高的情况。
八、误差分析
(1)读取电流时,由于仪器的自身元件问题,电流并不稳定,所以读取时不能读得很精确。
(2)在测量Hg的激发电压时,跨度电压为0.5V,在取到的数据峰值处,不一定是真实的峰值。
所以也会产生误差。
(3)一起元件,以及激发态原子的不稳定性,都可能造成误差。
九、实验结论
本实验通过研究电子碰撞氩原子能量交换过程,论证了原子能级的存在,从而证明了玻尔原子理论。
并测得了氩原子的第一激发电位。
评分内容
预习
操作
数据处理与分析
实验报告
其他
综合评定成绩
分数
教师评语:
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