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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报告-弗兰克赫兹实验成都信息工程学院物理实验报告姓名：专业：班级：学号：实验日期：实验教室：指导教师：【实验名称】夫兰克-赫兹实验【实验目的】1掌握夫兰克-赫兹实验的原理和方法，理解该实验的物理构思和设计技巧。2测量氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。3研究原子能级的量子特性，观察其特殊的伏安特性现象。【实验仪器】1夫兰克-赫兹实验仪仪器型号ZKY-HZ-2资产编号XX21332示波器编号301XX1512【实验原理】一、玻尔提出的原子理论指出：原子只能较长久地停留
2、在一些稳定状态，原子在这些状态时，不发射或吸收能量，各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量无论通过什么方式发生改变，它只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，会产生能量的变化。若原子吸收能量，则电子从低能级跃迁到高能级；而当电子从高能级跃迁到低能级时，要发射频率为?的光子，且h?Ei?Ef式中：普朗克常量h?10?34J?S电子的角动量满足L?mvr?n?。原子从低能级向高能级的跃迁，可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。设初速度为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量eU0。当具有eU0能量的电子与稀薄气体的原
3、子发生碰撞时，就会发生能量交换。如果被碰撞原子获得从电子传递来的能量恰好为eU?E2?E1式中E1为被碰撞原子的基态能量。E2为被碰撞原子的第一激发态的能量。则被碰撞原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电位差U0被称为原子的第一激发电位。测出这个电位差U0，就可以根据式求出被碰撞原子的基态和第一激发态之间的能量差了。一般情况下，原子在受激状态所处的时间不会太长，就自动回到基态，并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其辐射频率?或波长?由下式确定h?eU0二、夫兰克-赫兹实验的原理在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加
4、速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间设置反向拒斥电压VG2A，管内空间电位分布如图一所示：其中：第一栅极G1和阴极K之间的加速电压VG1K约伏的电压，主要用于消除阴极电子散射的影响。各电压值大小遵守仪器说明，否则可能损坏管子。图1夫兰克-赫兹实验原理图图2夫兰克-赫兹管的IAVGK曲线当灯丝加热时，阴极的外层即发射电子，电子在G1和G2间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但在起始阶段，由于电压VG2K较低，电子的能量较小，即使在运动过程中，它与原子相碰撞也只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的电流IA随第二栅极电压VG2K的增加而增大。当VG2K达到氩原子的
5、第一激发电位时,电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。电子把从加速电场中获得的能量传递给氩原子,使氩原子从基态激发到第一激发态,而电子本身由于把能量传递给了氩原子,它即使能穿过第二栅极,也不能克服反向拒斥电压而被折回第二栅极。所以板极电流IA将显著减小(如图二ab段)。氩原子在第一激发态不稳定，会跃迁回基态，同时以光量子形式向外辐射能量。随着第二栅极电压VG2K的增加,电子的能量(在管内相同位置)也随之增加,与氩原子产生非弹性碰撞传递能量的位置从第二栅极附近向管子中间靠近，传递能量后的电子在VG2K的作用下继续增加能量，若有足够的能量就可以克服拒斥电压的作用力而到达板极A,这
6、时电流又开始上升(如图二bc段),直到VG2K是2倍氩原子的第一激发电位时,电子在G2附近又会产生第二次非弹性碰撞而失去能量,因而又造成了第二次板极电流IA的下降(如图二cd段),这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。这个实验说明了夫兰克-赫兹管内的电子与氩原子碰撞的能量转换关系,说明原子能级的存在。若以VG2K为横坐标,以板极电流值IA为纵坐标就可以得到谱峰曲线,两相邻谷点(或峰尖)间的加速电压差值,即为氩原子的第一激发电位值U0。原子的第一激发电位还可以通过光谱分析测量原子从第一激发态跃迁回基态时光量子向外辐射能量的波长而得到。【实验内容】熟悉夫兰克赫兹实验仪的使用，要求在预习阶
7、段认真阅读仪器介绍，操作过程中再仔细了解仪器并正确使用。1参照说明书提供的连线图连接好夫兰克-赫兹管的各组工作电源。2打开电源,工作方式选择自动。3预热条件:1电流量程、灯丝电压、VG1K电压、VG2A电压设置参数见仪器机箱上盖的标牌参数。2将VG2K设置为85V。3预热10分钟左右,然后再做相应的实验。4.使用自动测试在示波器上显示最佳IA?VG2K曲线。自动测试过程正常结束后进行数据查询，记录所有的IA?VG2K对应值。5.在坐标纸上作出IA?VG2K曲线。利用曲线找出IA波峰对应的VG2K。利用逐差法求出氩原子的第一激发电位，并与公认值进行比较求百分差。【注意事项】夫兰克-赫兹管的各组工
8、作电源不能接错，大小不能加错。【数据记录】灯丝=?7VVG2K?82V波峰波谷位置为了研究原子内部的能量时态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用低速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原子内部量子化能级的存在。实验要求：?通过对汞原子第一激发电位测量，了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。?了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。理论基础?Hg原子能级其中61S0为基态，63P1为激发态，63P0、63P2为亚稳态实现能级跃迁，吸收光子原子与电子碰撞处于激发态的原子不稳定，发射光子回到低能态。?原理图F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射
9、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：?碰撞过程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(转载于:写论文网:大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验)能到达A从而不能形成电流。=，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。=，使原子激发到63P1，引起共振吸
10、收，电子速度几乎为零，电子不能到达A，形成第一个峰。=，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。=，将形成第n个峰。?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。注意事项?先将温度调到设定值，打开温控电源，加温指示灯on亮，到设定温度off指示灯亮。?接线，将Vf，VG1K，VG2P，VG2K的旋钮
11、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。用“手动”档测曲线。?实验中若产生电离击穿(电流迅速严重过载)，立即将加速电压调到零，减小灯丝电压，每次减小，重新测曲线。?加热炉的炉温较高，移动时应注意，导线不要挂在炉壁上。?在实验中注意炉温及灯丝电压的选择。思考题：?灯丝电压的大小对?说明温度对充汞F-H管曲线有何影响？曲线影响的物理机制。弗兰克赫兹实验报告U=(U4+U5+U6-U1-U2-U3)/9=(+)/9=(v)U=U0-U=(v)E=U/U0*100%=/*100%=%误差分析：1.第一个峰值不明显，实验测得的对应的U的值误差较大.2.仪器的系统误差3.实验记录的数据密度不够4.读数时的人为误差.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。
