实验38 弗兰克—赫兹实验---讲义.doc

实验三十八 弗兰克—赫兹实验
1913年丹麦物理学家玻尔（N•Bohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。
该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射能量满足
DE = Em-En （1）
对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。
1914年德国物理学家弗兰克（J•Franck）和赫兹（G•Hertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。
玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获此奖。夫兰克——赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。
一、实验目的
图1弗兰克-赫兹实验原理图
电子
氩原子
K
G2
G1
A
I
UG2K
UG1K
UG2A
微电流仪
灯丝电压
1、研究弗兰克—赫兹管中电流变化的规律
2、测量氩原子的第一激发电位；证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；
3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。
二、实验仪器
LB-FH弗兰克-赫兹实验仪，示波器
三、实验原理
夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，氧化物阴极K，阳极A，第一、第二栅极分别为G1、G2。
K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。VG1K的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G2-A加反向电压，形成拒斥电场。
电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大于或等于eVG2K，就能到达板极形成板极电流I.
电子在不同区间的情况：
（1） K-G1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。
（2） G1-G2区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差DE＝E2-E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到DE，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。DE称为临界能量。
图2弗兰克-赫兹实验～I曲线
a b c

I (nA)
O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7

（3） G2-A区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于EVG2A则不能达到板极。
由此可见，若eVG2K<DE，则电子带着EVG2K的能量进入G2-A区域。随着VG2K的增加，电流I增加（如图2中Oa段）。
若eVG2K＝DE则电子在达到G2处刚够临界能量，不过它立即开始消耗能量了。继续增大VG2K，电子能量被吸收的概率逐渐增加，板极电流逐渐下降（如图2中ab段）。
继续增大VG2K，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc段）。
若eVG2K>nDE则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流I随加速电压VG2K变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差DV称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差
DE= eDV （2）
四、实验内容
1.用示波器测量原子的第一激发电位。
2.手动测量，绘制曲线，观察原子能量量子化情况，并用逐差法求出氩原子的第一激发电位。
五、实验操作步骤
1．示波器的测量
（1） 插上电源，打开电源开关，将“手动／自动”档切换开关置于“自动”档。（“自动”指VG2A从0~120V自动扫描，“自动”档包含示波器测量和计算机采集测量两种。）
（2） 先将灯丝电压VH、控制栅（第一栅极）电压VG1K、拒斥电压VG2K缓慢调节到仪器机箱上所贴的“出厂检验参考参数”。预热10分钟，如波形好，可微调各电压旋钮。如需改变灯丝电压，改变后请等波形稳定（灯丝达到热动平衡状态）后再测量。
注意：每个F-H管所需的工作电压是不同的，灯丝电压VH过高会导致F-H管被击穿（表现为控制栅（第一栅极）电压VG1K和VG2K的表头读数会失去稳定）。因此灯丝电压VH一般不高于出厂检验参考参数0.2V以上，以免击穿F-H管，损坏仪器。
（3） 将仪器上“同步信号”与示波器的“同步信号”相连，“Y”与示波器的“Y”通道相连。“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弗兰克-赫兹曲线。
（4） 调节“时基微调”旋钮，使一个扫描周期正好布满示波器10格；扫描电压最大为120V，量出各峰值的水平距离（读出格数），乘以12V／格，即为各峰值对应的VG2K的值（峰间距），可用逐差法求出氩原子的第一激发电位的值，可测3组算出平均值。
（5） 将示波器切换到X-Y显示方式，并将仪器的“X”与示波器的“X”相连，仪器的“Y”与示波器的“Y”通道相连，调节“X”通道增益，是整个波形在X方向上满10格，量出各峰值的水平距离（读出格数），乘以12V／格，即为峰间距，可用逐差法求出氩原子的第一激发电位的值，可测3组算出平均值。
2．手动测量
（1）将“手动／自动”档切换开关置于“手动”档，微电流倍增开关置于合适的档位（说出档位选择的依据）。
（2）先将灯丝电压VH、控制栅（第一栅极）电压VG1K、拒斥电压VG2K缓慢调节到一起机箱上所贴出的“出厂检验参考参数”。预热10分钟，如波形不好可微调各电压旋钮。如需改变灯丝电压，改变后等波形稳定（灯丝达到热动平衡状态）后再测量。
注意：每个F-H管所需的工作电压是不同的，灯丝电压VH过高会导致F-H管被击穿（表现为控制栅（第一栅极）电压VG1K和拒斥电压VG2K的表头读数会失去稳定）。因此灯丝电压VH一般不高于检验参考参数0.2V以上，以免击穿F-H管，损坏仪器。
（3）旋转第二栅极电压VG2K调节旋钮，测定IA-VG2K曲线。是栅极电压VG2K逐渐缓慢增加（太快电流稳定时间将变长），每增加0.5V或1V，待阳极电流表读数稳定（一般都可以立即稳定，个别测量点需若干秒后稳定）后，记录相应的电压VG2K,阳极电流IA的值（此时显示的数值至少可稳定10秒以上）。读到120 V，个别仪器可以选择读到118V。
注意：因有微小电流通过阴极K而引起电流热效应，致使阴极发射电子数目逐步缓慢增加，从而使阳极电流IA缓慢增加。在仪器上表现为：某一恒定的VG2K下，随着时间的推移，阳极电流IA会缓慢增加，形成“飘”的现象。虽然这一现象无法消除，但此效应非常微弱，只要实验时方法正确，就不会对数据处理结果产生太大的影响：即VG2K应从小至大依次逐渐增加，每增加0.5V或1V后读阳极电流表读数，不回读，不跨读。
以下两种操作方法是不可取的，应尽量避免：1）回调VG2K读阳极电流IA.。因为电流热效应的存在，前后两次调至同一VG2K下相应的阳极电流IA可能是不同的。2)大跨度调节VG2K.，这样阳极电流表读数进入稳定状态所需的时间将大大增加，影响实验进度。
（4）根据所取数据点，列表作图。以第二栅极电压VG2K为横坐标，阳极电流IA为纵坐标，作出谱峰曲线。读取电流峰值对应的电压值，用逐差法计算出氩原子的第一激发电位。
（5）实验完毕后，请勿长时间将VG2K置于最大值，应将其旋至较小值。
六、数据处理要求
1.示波器测量（表格仅供参考，以自己设计为准）
表1第一激发电位测量数据
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
峰值格数

VG2K（V）

2.手动测量（表格仅供参考，以自己设计为准）
表2手动数据记录
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
VG2K

IA

N
10
11
12
13
14
15
16
17
... ...
VG2K

IA

3.作出曲线，确定出I极大时所对应的电压.
4.用最小二乘法或者逐差法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。
(3)
式中n为峰序数，DU为第一激发电位。
思考题：
1. 曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？
2.I 的谷值并不为零，而且谷值依次沿轴升高，如何解释？
3.第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？
4.写出氩原子第一激发态与基态的能级差。

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