弗兰克-赫兹实验指导书.doc

夫兰克—赫兹实验

1913年，玻尔（N.Bohr）将量子理论应用到原子上，提出了他的原子理论. 玻尔的原子理论除了由光谱研究得到证实外，1914年，夫兰克（J.Frank）和赫兹（G.Herz）利用低能电子与稀薄气体原子碰撞的方法，直接测得了原子的激发电势和电离电势，证实了原子中分立能级的存在. 夫兰克和赫兹为此获得了1925年诺贝尔物理学奖.
【实验目的】
1．通过对相应电压和微电流的测量，得出氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。
2．学习原子激发的基本过程，理解微观原理。
3．用计算机观测IA～UG2K曲线。
【实验仪器】
F-H6 智能夫兰克—赫兹实验仪 微机
【实验原理】
夫兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁。夫兰克—赫兹实验原理如图1所示，

图1夫兰克—赫兹实验原理图

在充氩气的夫兰克—赫兹管中，自由电子从被灯丝加热的阴极K表面逸出，在阴极和控制栅极G1之间的加速电压（第一栅压）的作用下，电子将离开阴极并被加速后通过控制栅极(控制栅极G1是为了消除电子在阴极附近的堆积效应，起到控制电子电流大小的作用)。栅极G2和阴极K之间也存在对电子的加速电压（第二栅压），电子在G1　G2空间内一方面被加速，另一方面可能与氩原子相碰撞。在板极Ａ和栅极G2之间存在使电子减速的拒斥电压。当电子通过栅极G2进入G2A空间时，只有那些动能够大，能克服的电子才能通过栅极G2到达板极形成板极电流。实验时使从零逐渐增加，观察板极电流的变化，将得到如图2所示的―曲线。从图中可以发现，并不总是随的增大而增大。
根据玻尔的原子理论，氩原子在基态的能量为,第一激发态的能量为，在起始阶段，电子的动能，电子与氩原子碰撞时，电子的动能几乎没有损失，电子与氩原子弹性碰撞后仍按原来的速率运动。当与不变时，随着的增加，会有越来越多的电子离开阴极并克服到达板极,使随的增大而增大(见图2

图2 ― 曲线

中oa段)。但当增大到时，运动到栅极附近的电子所具有的动能=e正好等于，电子与氩原子发生非弹性碰撞，氩原子从电子那里吸收能量而跃迁到第一激发态,因此称为第一激发电势。电子失去的能量后动能急剧减小，以致不能克服拒斥电压达到板极，使板极电流急剧降低(见图2中ab段)。继续增加，当电子与氩原子碰撞后仍留下足够的能量，可以克服G2A空间的拒斥电压而达到板极A时，板极电流又随的增大而增大(见图2中bc段)。直到=2时，电子的能量等于2（），电子在G1 G2空间会因第二次非弹性碰撞而失去能量，从而形成板极电流第二次下降(见图2中cd段)。
在加速电压较高的情况下，电子在运动过程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞，在―关系曲线上就表现为随着的增加，交替出现的一系列极大值和极小值.由于从阴极发出的热电子有一定的初速度、阴极和板极金属材料不同而使电子的逸出功也不同等原因，整个―曲线将发生沿横坐标的平移,但曲线上任意两个相邻的极大值之间所对应的的差值是不变的，就等于氩原子的第一激发电势
(1)
式中n=1,2,3……，表示第n次出现极大值时所对应的。
【仪器简介】
仪器结构
图3 F-H4智能夫兰克-赫兹实验仪面板示意图
本实验采用正面板示意图见图3，图中①为夫兰克—赫兹管；②为、、及灯丝电流的输出；③为电流显示（表头示值乘以电流显示选择的指示值后为电流实际测量值），④为电流波段开关，分为200μA、20μA、2μA、0.2μA四挡，有电流输入I端口及电流显示的调零；⑤为电压显示：可以分别显示（5V）、（15V）、（100V）值；⑥为（5V）、（15V）、（100V）电压显示选择开关，下面的100V调节、15V调节、5V调节分别为、、电压的调节旋钮，扫描幅度调节为在自动扫描时用；⑩为扫描开关（置于“自动”挡时，可在示波器上观察稳定的―曲线图样，置于“手动”挡时记录数据，）；⑦为灯丝电流的选择开关；⑧为示波器的接口；⑿为电源开关；⑨为微机接口；⑾为微机和示波器观察稳定的―曲线图样的选择。
【实验步骤】
1．先将、、、灯丝电流的输出及电流输入I与氩气管的各极用实验连接线相应的连接起来（注：实验前已经连好）。再将灯丝电流调节旋钮打至6档。
2．将电源线插入仪器后面的电源插座内，打开电源开关，数码管亮，预热15分钟后开始做实验。
3．将“手动—自动”切换开关按至“自动”挡，旋动“扫描幅度调节”旋钮到适当位置。
4．将电压显示选择开关打到“5V”档，旋转“5V”调节旋钮，使电压读数为1.8V，即阴极至第一栅极电压为1.8V。
5．将电压显示选择开关打到“15V”，旋转“15V”调节旋钮，使电压表读数为8V左右，即拒斥电压 为8V。
6．将“手动-自动”切换开关打至“手动”档，将灯丝电流调节旋钮打至4档或5档（一般为5档）。再将电压显示选择开关打到“100V”档，旋转“100V”调节旋钮，使电压表读数为0V，即这时阴极至第二栅极电压（加速电压）为0V。“电流显示选择”打至（10-9）档，调节“调零”旋钮，使显示为0，再将“电流显示选择”逐次打到10-8、10-7档，各档都应显示为零。然后根据的大小选择合适档位（注：一般选10-9档）。
7．正式测量：缓慢旋转0-100V调节旋钮，使电压表读数有0V逐渐增大到100V（每隔2V测一个点），同时记录电流表的读数，逐点测量。为了便于作图，在峰、谷附近可每隔1.0V取值。以电流为纵坐标，电压为横坐标，作出曲线。【注：实验时一般顺着电压增加的方向一直缓慢做到底，最好不要回调电压，在峰值部位（电流变化小的时候）电压间距值取小些。】
8．在保持原有的设置参数的条件下，将手动—自动开关按至“自动”位置，示波器—微机开关按至“微机”位置，在夫兰克—赫兹实验仪电源未开的情况下，用九针电缆分别连接F-H4夫兰克—赫兹实验仪微机接口和计算机之间的串口（连接或断开串口连线时，严禁通电操作）（注：实验前已经连好）。点击“开始采集”图标或“重新采集”图标，可看到界面生成坐标线，同时电压、电流显示窗口动态显示“电压值”、“电流值”的变化，表示数据经通信端口已正常传输至计算机。
9．当数据正常传输至计算机后，界面上有一红色波形逐渐形成（如图4）。如果波形和界面不匹配，可调整“电流显示选择”开关的位置（注：一般选10-9档），并在“坐标设置”处调整电压或电流数值的比例大小（注：一般电压选300V，一般电流选3000nA），直至图形正常。未接停止按钮，每个周期生成的波形将重复绘出并重叠在一起，如果要生成一个单周期的完整图，可根据电压动态窗口数据由大变小时按“重新测量”图标，原画面自动清除并重新记录，再由大变小时，按“停止测量”图标，数据停止采集。将鼠标点到曲线各个峰并记录下峰值的大小，计算各峰峰值之间的电势差，同时填写“实验者”、“实验日期”、“实验组”内容，并将各峰峰值之间的电势差的平均值填写到“实验结果”中去。

图4 计算机显示的 ― 曲线
【数据处理】
1.根据手动测量数据做出―曲线。
2.从―关系曲线上寻找值的极大值点，以及相应的值，即―关系曲线中波峰的位置。根据波峰的横坐标,利用逐差法计算氩的第一激发电势:
（2）
3.与氩的第一激发电势的公认值(11.55V)比较，计算实验误差.

5