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1、弗兰克赫兹实验信息安全 07 级 姓名:郑昉昱 学号:PB07210422时间:11-22实验名称 ：弗兰克赫兹实验实验目的 ：利用电子碰撞原子的方法，观察并测量汞的激发电位和电离电位，从而证明原子能级的存在。实验原理 ：1、电子与气态 Hg 原子的碰撞为了实现原子从低能级到高能级的跃迁,可以使具有一定能量的电子和原子发生碰撞.这是最容易实现 Franck-Hertz 实验的方法.若与之发生碰撞的电子是在电势 V 的加速下,速度从零增加到 v,则当电子的能量满足: 21mveVEEnm时,电子将全部的能量交换给原子.由于两个能级之间的能量差是有确定的值,对应的电压就有确定的大小,当原子吸收电子
2、的能量从基态跃迁到第一激发态时,相就的电压值称为原子的第一激发电位.实验中就是测量汞原子的第一电位差.2、Hg 原子能级下图是 Hg 的谱图.其中 61S0（0ev）为基态，6 3P1（4.9ev）为激发态，6 3P0（4.7ev） 、6 3P2（5.47ev）为亚稳态.85 分3、实验装置 实验中用 F-H 管来测量汞原子的第一激发电位.原理图如下: F-H 管内充汞，灯丝加热 K 使其发射电子，G 1 控制通过 G1 的电子数目，G 2 加速电子，G 1、G 2 空间较大，提供足够的碰撞概率，A 接收电子，AG 2 加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。实验曲线：1. 碰撞过程
3、及能量交换此过程在 G1G2 空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，使其不能到达 A 从而不能形成电流。VGK2= 4.7V，使原子激发到 63P0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收。VGK2= 4.9V，使原子激发到 63P1，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达 A，形成第一个峰。VGK2= 9.8V，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在 G2 处失去动能，形成第二个峰。VGK2= 4.9nV，将形成第 n 个
4、峰。实验内容：1、测量汞的第一激发电位1）先将温度调到设定值， （T=157 ）打开温控电源，加温指示灯Con 亮（绿色） ，到设定温度 off 指示灯亮（红色） 。2） 将 Vf，V G1K，V G2P，V G2K的旋钮调到最小，到设定温度后，再打开两仪器电源，然后据炉上标签设定各电压值，这时可以调节的值，每次增加 0.5V，进而读出 的值（单位：10 -8A） 。2Gk pI2、测量氩的第一激发电位1） 接通电源，开关调到自动，观察示波器上 的 曲线，rA2pGkIV调节相关实验参数，直到示波器上显示的曲线图接近完美。2） 将开关调到手动，保持已调好得参数不变，将 调到最小，2Gk使之从
5、0 开始变化，每次增加 0.05（单位：10V） ，读 的值pI（单位：10nA） 。实验数据及数据处理：1、 测量汞的第一激发电位实验数据如下：Vf=1.4V VG1K =2.0V VG2p=0.5V T=157VG2K/V 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5Ip/10-8A 0 0 0 0 0 0 0 1 3 8VG2K/V 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5Ip/10-8A 14 20.5 29 35 33 18.2 12 15 22.5 32VG2K/V 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5Ip/
6、10-8A 42.5 60 71 72 38.5 15 21.5 32.5 45.5 69VG2K/V 15 15.5 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5Ip/10-8A 70 90 95 82 33 26 40.2 60 70 90VG2K/V 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.5Ip/10-8A 101 111 111 85 39 41 64 82 100 110VG2K/V 25 25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 29.5Ip/10-8A 125 132 120 88 60 65 82 1
7、00 118 132VG2K/V 30 30.5 31 31.5 32 32.5 33 33.5 34 34.5Ip/10-8A 149 151 130 95 79 79 91 111 135 150VG2K/V 35 35.5 36 36.5 37 37.5 38 38.5 39 39.5Ip/10-8A 162 161 140 110 93 98 110 130 150 165VG2K/V 40 40.5 41 41.5 42 42.5 43 43.5 Ip/10-8A 175 170 150 128 112 112 125 148 根据以上表格得出如下 Ip -VG2K 曲线，如下图0
8、10 20 30 40 50-20020406080101201401601806.51.51620.525.30.53540812.517.5227323742Ip/.nAVG2K/VB由以上 Ip -VG2K 曲线，得出峰值时的对应的 VG2K 分别为6.5V , 11.5V, 16.0V, 20.5V, 25.5V, 30.5V, 35.0V, 40V.利用逐差法计算所以不确定度的分析:故=0.03125V刻度 0.1V 计故所以= 所以汞的第一激发电位为V P=0.68V P=0.952、 测量氩的第一激发电位=2.80V =1.99V =9.84VVG2K/10V 0.05 0.1
9、0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5Ip/10nA 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0VG2K/10V 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1Ip/10nA 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0VG2K/10V 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5Ip/10nA 0 0 0 0 0 0 1 2 6 10VG2K/10V 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5Ip/10nA 63 58 53 45 37 33
10、30 34 50 72VG2K/10V 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 3Ip/10nA 95 124 140 163 184 192 198 195 191 181VG2K/10V 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.45 3.5Ip/10nA 163 146 129 102 83 59 39 26 18 25VG2K/10V 3.55 3.6 3.65 3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4Ip/10nA 53 101 127 178 203 245 278 308 313 329V
11、G2K/10V 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5Ip/10nA 317 306 285 253 212 153 120 79 39 12VG2K/10V 4.55 4.6 4.65 4.7 4.75 4.8 4.85 4.9 4.95 5Ip/10nA 3 9 43 91 160 217 230 284 334 373VG2K/10V 5.05 5.1 5.15 5.2 5.25 5.3 5.35 5.4 5.45 5.5Ip/10nA 416 426 445 451 430 408 368 313 255 183VG2K/10V 5.5
12、5 5.6 5.65 5.7 5.75 5.8 5.85 5.9 5.95 6Ip/10nA 143 88 36 9 1 20 71 105 193 234VG2K/10V 6.05 6.1 6.15 6.2 6.25 6.3 6.35 6.4 6.45 6.5Ip/10nA 277 363 412 451 494 513 539 541 533 509VG2K/10V 6.55 6.6 6.65 6.7 6.75 6.8 6.85 6.9 6.95 7Ip/10nA 470 417 366 300 238 172 110 71 48 61VG2K/10V 7.05 7.1 7.15 7.2
13、7.25 7.3 7.35 7.4 7.45 7.5Ip/10nA 89 149 189 250 314 366 434 486 514 561VG2K/10V 7.55 7.6 7.65 7.7 7.75 7.8 7.85 7.9 7.95 8Ip/10nA 581 612 610 604 586 555 512 454 391 330VG2K/10V 8.05 8.1 8.15 8.2 8.25 8.3 8.35 8.4 8.45 8.5Ip/10nA 269 224 181 153 156 178 210 246 302 351VG2K/10V 8.55 8.6 8.65 8.7 8.7
14、5 8.8 8.85 8.9 8.95 9Ip/10nA 409 465 509 573 609 641 671 680 690 688VG2K/10V 9.05 9.1 9.15 9.2 9.25 9.3 Ip/10nA 674 653 612 565 515 471 0 2 4 6 8 10-100102030405060701.852.8545.26.47.68.952.353.454.55.76.958.2Ip/1nAVG2K/10V由以上 Ip -VG2K 曲线，得出峰值时的对应的 VG2K 分别为:18.5V, 28.5V, 40V, 52V, 64V, 76V, 89.5V;所以
15、不确定度的分析:所以刻度 0.1V 计故所以= 所以氩的第一激发电位为误差分析：1. Vf，V G1K，V G2P的值在实验中不稳定，不断的在跳动，可能会对曲线的得出造成影响，因为不同参数对应的曲线并不一致。2.在读取 Hg 的示数时，采用的是指针型的电流表，操作人员在操作时，由于估读以及指针不稳定原因，易造成较大误差。3.由于 Ip 的值十分不稳定，会一直下降，所以读取的必须是瞬时值；然而由于操作人员的主观原因，难免读取会有些时间差，是读取的不是瞬时值，造成一定的误差。4.由于选取的点不够密集，绘制的图形的最高点的与实际的最高点存在一定的出入，会产生一定的误差。5.仪器本身难免存在仪器误差，
16、会对实验造成一定的影响。思考题：问题：说明温度对充汞 F-H 管 Ip-VG2K影响的物理机制。答：实验中,控制管内的汞气压是实验成败的关键。温度较低时,汞的饱和气压很低，管中的汞原子的密度较小,经过加速的后的电子和汞原子相碰的概率不是非常的大,这样,电子有机会在和汞原子相碰前积蓄超过 的能量 ,从而使向高激发态的激发概率迅速增加,甚eV9.4到出现电离,这样不利于实验的测量, 图像也很不标准,得KGPVI2到的测量的数据了也会有较大的误差.常温下,汞的饱和气压很低,为得到合适的汞原子密度,实验中把管子放在恒温炉内加热,另外,汞蒸气压对温度非常敏感,所以实验中要把温度控制在很稳定的状态下,为电子和汞子相碰提供足够大的概率,这样不会使太多的电子积蓄到大于 的能量时还未和汞
