弗兰克—赫兹实验报告

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—赫兹实验

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弗兰克 .. .. .. ..

一、实验目的

1、了解弗兰克--赫兹试验的原理和方法； 2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法； 3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。

二、实验原理

玻尔提出的原子理论指出：原子只能较长地停留在一些稳定的状态。原子在这种状态时，不发射或吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔得。原子的能量不论通过什么方式改变，它只能从一个状态跃迁代另一个状态。原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时，辐射的频率是一定的。于是有如下关系：

hvEEmn，

式中，h为普朗克常数。为了使原子从低能级想高能级跃迁，可以通过具

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有一定能量的电子与燕子相碰撞进行能量交换的办法来实现。

图1 弗兰克-赫兹管结构图

夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K，板极A，G1 、G2分别为第一、第二栅极。

K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。UG1K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eUG2A，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E＝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E，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。E称为临界能量。

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eU G2A则不能达到板极。

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I (nA)

由此可见，若eUG2K<E，则电子带着eUG2K的能量进入G2-A区域。随着UG2K的增加，电流I增加（如图2中Oa段）。

若eUG2K＝E则电子在达到G2处刚够临a bc

O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7

图2弗兰克-赫兹实验UGK～I曲线

UG2K(V)界能量，不过它立即开始消耗能量了。继续增

2大UG2K，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UG2K，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eUG2K>nE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

UG2K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U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：E= eU

三、实验内容及操作步骤

1． 正确连接电路； 2． 启动预热； 3． 手动测量；

4. 调节电压，纪录数据； 5. 绘制 IAUGK曲线 ； 6. 数据处理。

UG20.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 IA k 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 UG210.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 k . 学习参考 .

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IA UG2k IA UG2k IA UG2k UG2k IA UG2k IA UG2k IA UG2k IA UG2k IA UG2k IA UG2k IA 0 20.5 1.8 30.5 2.2 40.5 3 50.5 5.8 60.5 9.6 70.5 10.4 80.5 7.1 90.5 3.7 100.5 9.5 110.5 14.8 0 21 2 31 2.4 41 2.4 51 4.9 61 9.2 71 10.9 81 8.5 91 4 101 8.4 111 14.7 0 21.5 2.2 31.5 2.7 41.5 2.1 51.5 3.9 61.5 8.5 71.5 11.2 81.5 9.4 91.5 4.9 101.5 7.4 111.5 14.2 0 22 2.4 32 3 42 1.8 52 2.9 62 7.6 72 11.3 82 10.5 92 5.8 102 6.7 112 13.7 0 22.5 2.6 32.5 3.4 42.5 1.9 52.5 2.2 62.5 6.6 72.5 11.1 82.5 11.3 92.5 6.9 102.5 6.2 112.5 13.1 0 23 3 33 3.8 43 2.3 53 1.6 63 5.4 73 10.7 83 11.9 93 8.2 103 6.1 113 12.3 0 23.5 3 33.5 4.3 43.5 3 53.5 1.2 63.5 4.3 73.5 10.1 83.5 12.3 93.5 9.2 103.5 6.2 113.5 11.5 0 24 3.1 34 4.7 44 3.7 1.3 3.1 74 9.2 84 12.6 94 10.2 104 6.6 114 10.8 0 24.5 3.2 34.5 5.2 44.5 4.6 .5 1.8 .5 2.1 74.5 8.1 84.5 12.6 94.5 11 104.5 7.2 114.5 10.1 0 25 3.3 35 5.5 45 5.3 55 2.6 65 1.4 75 6.9 85 12.3 95 11.9 105 8.1 115 9.7

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IAUGK曲线 数据处理：

U1=26.5V U2=37.0V U3=48.5V U4=60.5V U5=71.5V U6=83.5V U7=96.0V U8=109.0 用逐差法计算第一激发电位可得：

Uo=[(U8-U4)+(U7-U3)+(U6-U2)+(U5-U1)]/(4*4)

=[(109.0-60.5)+(96.0-48.5)+(83.5-37.0)+(71.5-26.5)]/(4*4) =11.71875V ≈11.7V

四、思考题

能否用氢气代替氩气，为什么？

答：不能；氢气是双原子分子，激发的能级是分子能级而非原子能级。

1.为什么I-U曲线不会从原点开始？ 答：电子由热阴极发出，刚开始加速电压主要用于消除阴极电子的散射的影响，后来电子加速，使其具有了较大的能量冲过反向拒斥电场而到达板极形成板流，并为微电流计所检验出来，故曲线不是从原点开始的。

2.为什么T不会降到零？

答：随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子相碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场到达板极，这时电流又开始上升，不致下降到零。

3.为什么I的下降不是陡然的？

答：因为K极发出的热电子能量时服从麦克斯韦统计分布规律，因此极电

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流下降不是陡然的。

4.在F-H实验中，得到的I-U曲线为什么呈周期性变化？

答：当G2k间的电压达到氩原子的第一激发电位U0时电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量给了氩原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被驳回第二栅极，所以，板极电流讲显著减小。随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子想碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A，这时电流又开始上升，直到G2K间的电压是二倍的第一激发电位时，电子在UG2k间又会因第二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降，同理，凡UG2k之间电压满足：UG2k=nU0(n=1,2,3...)时，板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的I-U曲线。

5.在F-H管的I-U曲线上的第一个峰的时候，是否对应于氩原子的第一激发电位？

答：不是，实际的F-H管的阴极和栅极往往是不同的金属材料制成的，因此会产生接触电位差。而进入加速区的电子已经具有一定的能量，使真正加到电子上的加速电压不等于UG2k。这将影响到F-H实验曲线第一个峰的位置，是它左移或右移。

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