《大学物理实验夫兰赫兹实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理实验夫兰赫兹实验报告（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划大学物理实验夫兰赫兹实验报告弗兰克-赫兹实验【实验目的】(1)了解弗兰克-赫兹实验用伏-安证明原子存在能级的原理和方法(2)学习用伏-安法测量非线性器件(3)学习微电流的测量【仪器用具】仪器名参数F-H-II弗兰克赫兹实验仪?F-H-II弗兰克赫兹实验仪微电流放大器10?7档F-H-II弗兰克赫兹实验仪电源组?05V级?1?0级?2?015V级VictorVC9806+数字万用表200mV档(%+4)【实验原理】(1)原子的受激辐射玻尔的氢原理理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳定
2、状态。这些定态的能量是不连续分布的，其中能级最低的状态称为基态。原子在两个定态之间发生跃迁时，要吸收或发射一定的能量，该能量等于两个定态之间的能量差?=?原子在能级之间的跃迁可以通过有一定能量的电子与原子碰撞交换能量来实现。初速度为零的电子经过电势差?0加速获得能量?0，当这些电子与稀薄气体发生碰撞，就会发生能量交换。当电子能量满足?0=?便会使得原子从?被激发到?，电子能量被吸收。(2)弗兰克-赫兹实验图1弗兰克-赫兹装置示意图图1是弗兰克-赫兹实验装置示意图。图中左侧为弗兰克-赫兹管，它是一种密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量较大的汞或惰性气体原子。在这里灯丝用来对阴极?加热，使其发射热电
3、子。灯丝电压?越高，阴极?发射的电子流也就越大。第一栅极?1的主要作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。第二栅极?2的作用是在?2和?之间形成对电子加速的静电场。发射的电子穿过栅极?2达到极板?，形成板流?。板流?的大小由微电流测试仪进行测量。在板极?和?2之间加有一反向电压，它对电子减速，使经过碰撞后动能非常低的电子折回。由热阴极发射的电子初速度为零，受加速电场?2?作用，?2?较低时，电子能量小于原子的激发能，电子与汞原子只能发生弹性碰撞。当?2?增大到原子的第一激发电位时，电子与原子间就产生非弹性碰撞，汞原子吸收电子的能量，由基态被激发到第一激发态。电子损失能量后不能穿越拒斥场，引起板
4、流?聚减，于是?2?特性曲线上出现第一个峰值。?2?继续增大，电子经第一次非弹性碰撞后的剩余能量足以使其与汞原子产生第二次非弹性碰撞，汞原子再次从电子中取得能量，能量交换的结果使?再次下降。峰间距正是第一激发态和基态的能极差，在本次实验中，通过测量各个峰值并对其进行线性拟合可以更准确地测得能极差。(3)实验装置图2四栅式F-H管实验仪器如图2所示，仪器分为三部分。加热炉和控温仪：中有FH管，保持FH处于预定温度中电源组：包括三组独立的稳压电源，分别提供?灯丝加热电源，?1?控制电子束强度的加速电压，?2?减速用的反向电压微电流放大器：将板流?并输出?，本次试验中用?代替?【实验原理】1预热汞管
5、至180度2如图2所示搭建实验装置3根据参考数据调节?1?2?，在允许范围内使得峰谷比较大4调节?2?，粗测?2?，了解峰出现的范围5缓慢调节?2?，细测?2?曲线6处理实验数据7换用氩管，重复上述步骤【实验数据及处理结果】1汞?=V?1?=V?2?=?表格一汞?2?数据表?2?=a+?1?线性拟合得?1=V?2=?1?=?1=V?2?1=V1图3HgU-Uout关系图2氩?=V?1?=V?2?=?表格一氩?2?数据表?=V?1?=V?2?=?表格二氩?2?数据表?2?=a+?1?线性拟合得?1=V?2=?1?=?1=V?2?1=V1图4ArU-Uout关系图【思考题】如图4所示，反向减速电压
6、?2?增大时会有三种效果，?峰值、谷值均减小，?2?曲线向下移动，峰值位置?向右移动。解释如下：1.由于反向电压增大，所以在任何情况下抵达极板的电子都会减少，故峰值、谷值均减小2.作为1的结果，?2?曲线整体向下移动3.由于灯丝加热逸出电子，这是热力学平衡的过程，所以电子的能量分布满足麦克斯韦分布，经过加速电场?1?，能量分布平移。能量大于?2?的部分才能通过栅极，到达极板。但是E?1的部分电子将激发汞原子甚至多次激发汞原子，导致E?1，因而也不能到达极板。故?2?1的电子才是能形成极电流的。由于?2?1不变，当?1?取某些值时，?2?1所夹的概率密度函数面积最大时，极电流最大，故当?2?增大
7、时，?1不变，需要向右移动曲线即增大一些?1?弥补?2?增大带来的面积损失。故峰值位置?向右移动。夫兰克-赫兹实验一实验简介1914年弗兰克()和赫兹()用电子碰撞原子的方法，观察测量到了汞的激发电位和电离电位。从而证明了原子等级的存在，为早一年玻尔发表的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。为此他们分享了1925年诺贝尔物理学奖金。他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。本实验应用Frank-Hertz实验方法实现电子气和Hg原子的碰撞，以观察Hg原子能级跃迁并对Hg原子第一激发电位进行测量。通过本实验可以深刻理解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法，了解电子
8、与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。二实验原理1.电子与气态Hg原子的碰撞利用电子和气态Hg原子的碰撞时最容易实现Frank-Hertz实验的方法。为实现原子从低能级En向高能级Em的跃迁，通常可以通过吸收确定频率的光子来实现。而光子的能量等于两个能级之间的量差，即时，原子吸收全部光子能量，发生能级跃迁，式中h为普朗克常量。也可以通过使具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。若与之碰撞的电子式在电势差V的加速下，速度从零加到v,则当电子的能量满足时，电子将全部能量交换给你原子。由于Em-En具有确定的值，对应的V就应该有确定的大小。当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的V称为原子的第一
9、激发电位。因此，第一激发电位V所对应的就是第一激发态与基态的能量差。出于激发态的原子是不稳定的，它将以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能级。如果电子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的V称为原子的电离电位。其中61S0为基态，63P1为激发态，63P0、63P2为亚稳态。当能量等于63P0，63P1和63P2与基态61S0之间的能量差，即当能量为eV，eV和eV的电子与Hg原子碰撞时，将有最大的激发概率实现能级间跃迁。由跃迁的选择定则，3P0，3P2到3P1的跃迁是禁戒跃迁，即激发到3P0和3P2的电子不会自发的以辐射出光子的形式跃迁到基态，从而有很长的寿命，63P0，63P2被
10、称为亚稳态。3P1态电子可在10-810-7s内自发的辐射出波长为的光子，处于跃迁到基态61P1，且63P1是能量最低的激发态，通常被称为第一激发态。2.实验原理图：F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射电子，G1控制通过G1的电子数目，G2加速电子，G1、G2空间较大，提供足够的碰撞概率，A接收电子，AG2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）电子和气态Hg原子的碰撞过程及能量交换：碰撞过程和能量交换过程是在F-H管G1G2空间发生的，在加速场的作用下，电子获得动能，在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
11、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F-H管A极从而不能形成电流。当VGK=时，电子在G2，K空间获得的能量等于，与Hg原子发生2非弹性碰撞时，使原子激发到6P0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收，但电子可以越过这一区域继续加速，使能量超过VGK=时电子在G2附近获得的能量，并与Hg原子发生非弹性碰23撞，但电子可以越过这一区域继续加速，使能量超过,Hg原子将被使原子激发到63P1，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达A，因而形成第一个吸收峰。同理，当VGK=时，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在G2处失去动2能，形成第二个峰。当VGK=时
12、，将形成第n个峰。22）电子平均自由程对激发或电离的影响主要由炉温决定，还与电子速度等有关。很短，相邻两次碰撞间获得能量小，经多次碰撞能量积累到第一激发态的能量时，能使原子激发到激发态，不容易激发到较高能态。很长，相邻两次碰撞间获得能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在很长，加速电压较高，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能态，甚至电离。3.Hg原子能级：Hg原子的能级图如下图所示：三实验仪器F-H管电源组、扫描电源、微电流放大器、F-H管和温控装置四、实验内容1.熟悉实验装置，掌握实验条件。2.测量汞的第一激发电位。南昌大学物理实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：学院：理学院专业班级：物理学141班学生姓名：齐志荣学号：实验地点：基础实验大楼座位号：10实验时间：星期二下午13：50目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。
