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】

【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状态（称为定态）。这些定态的能量（称为能级）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加速获得能量，当这些电子与稀薄气体（例如汞）发生碰撞，就会发生能量交换。当电子能量满足

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（F-H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，使其发射热电子。灯丝电压越高，阴极发射的电子流也就越大。第一栅极的主要作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。第二栅极的作用是在和之间形成对电子加速的静电场。发射的电子穿过栅极达到极板，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，受加速电场作用，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，引起板流聚减，于是特性曲线上出现第一个峰值。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，控制电子束强度的加速电压，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          预热汞管至180度

2          如图2所示搭建实验装置

3          根据参考数据调节  ，在允许范围内使得峰谷比较大

4          调节，粗测，了解峰出现的范围

5          缓慢调节，细测曲线

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

表格一 汞数据表

（略）

表格二 汞峰值表

利用公式

线性拟合得

0.99971

图 3 Hg U-Uout关系图

2           氩

表格一 氩数据表

（略）

表格二 氩数据表

（略）

表格三 氩峰值表

利用公式

线性拟合得

0.99787

图 4 Ar U-Uout关系图

【思考题】

如图4所示，反向减速电压增大时会有三种效果，峰值、谷值均减小，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，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（概率密度是能量的函数），经过加速电场，能量分布平移。能量大于的部分才能通过栅极，到达极板。但是的部分电子将激发汞原子甚至多次激发汞原子，导致，因而也不能到达极板。故的电子才是能形成极电流的。由于 不变，当取某些值时， 所夹的概率密度函数面积最大时，极电流最大，故当增大时，不变，需要向右移动曲线即增大一些弥补增大带来的面积损失。故峰值位置向右移动。

第二篇：大学物理实验报告 弗兰克赫兹实验

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：

n        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。

n        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

n        Hg原子能级

其中6¹S₀（0ev）为基态，6³P₁（4.9ev）为激发态，6³P₀（4.7ev）、6³P₂（5.47ev）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。

n        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：

n        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，使其不能到达A从而不能形成电流。

 = 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。

 = 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。

 = 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。

 = 4.9nV，将形成第n个峰。

n        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。

λ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。

λ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λ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

n        先将温度调到设定值，打开温控电源，加温指示灯on亮（绿色），到设定温度off指示灯亮（红色）。

n        接线，将V_f，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。用“手动”档测曲线。

n        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0.1~0.2V，重新测曲线。

n        加热炉的炉温较高，移动时应注意，导线不要挂在炉壁上。

n        在实验中注意炉温及灯丝电压的选择。

思考题：

n        灯丝电压的大小对曲线有何影响？

n        说明温度对充汞F-H管曲线影响的物理机制。

第三篇：弗兰克-赫兹实验报告

大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验

实验题目：弗兰克赫兹实验

实验器材：F－H实验管、恒温加热电炉、F－H实验装置、示波器。 实验内容：

1．熟悉实验装置，掌握实验条件。

该实验装置由F－H管、恒温加热电炉及F－H实验装置构成，其装置结构如下图所示：

F-V管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。一般温度在100 ?C至250 ?C。并且由于Hg对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。灯丝电压控制着阴极K发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个峰的位置，是一个关键的条件。

2．测量Hg的第一激发电位。

1）起动恒温控制器，加热地F-H管，使炉温稳定在157 ?C，并选择合适的灯丝电压，VG1K=2.5V，VG2p=1.5V，Vf=1.3V。

2）改变VG2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.2V记录一个数据）。

3）作数据处理，作出对应的Ip-VG2k图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。

3．测Ar原子的第一激发电位。

1）调节好相关的数据：Vp=8.36V，VG1=1.62V，VG2k=0~100V，Vf=2.64V；

2）将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的Ip-VG2k图，是否符合实验要求（有六个以上的波峰）。再将相关档位调到手动档位。

3）手动改变VG2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.05V记录一个数据）。

4）作数据处理，作出对应的Ip-VG2k图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。

4．得出结论。

原始数据:

1. Vf=1.3V VG1K=2.5V VG2p=1.5V T=157?C

求汞原子的第一激发电位的数据表

2. Vp=8.36V VG1=1.62V VG2k=0~100V Vf=2.64V

求Ar原子的第一激发电位的数据表

数据处理： 1． 求Hg原子的第一激发电位。

将在实验中记录下的数据，以点的形式描在x-y坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图形为：

得到的七个峰值（Ip），对应的UG2K依次为：U1=7.0V , U2=11.6V , U3=16.0V , U4=21.0V , U5=25.8 V, U6=30.6V , U7=35.6V .

设Ux为Hg的第一激发电位，则有下列式子（逐差法）：

4*Ux1=U5-U1=25.8V-7.0V=18.8V, Ux1=4.7V;

4*Ux2=U6-U2=30.6V-11.6V=19.0V, Ux2=4.8V;

4*Ux3=U7-U3=35.6V-16.0V=19.6V, Ux3=4.9V

则==4.8V.

不确定度分析：

uA=

u0.68=1.32*uA=1.32*0.06V=0.08V.

则Ux=u0.68=4.80.08V.

2. 求Ar原子的第一激发电位。

将在实验中记录下的数据，以点的形式描在x-y坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图形为：

得到的六个峰值（Ip），对应的UG2K依次为：U1=3.00V , U2=4.15V , U3=5.35V , U4=6.60V , U5=7.90V, U6=9.20V .

设Ux为Hg的第一激发电位，则有下列式子（逐差法）：

3*Ux1=U4-U1=6.60V-3.00V=3.60V, Ux1=1.20V;

3*Ux2=U5-U2=7.90V-4.15V=3.75V, Ux2=1.25V;

3*Ux3=U6-U3=9.20V-5.35V=3.85V, Ux3=1.28V

则

=

不确定度分析： =1.24V.

uA=

u0.68=1.32*uA=1.32*0.023V=0.030V.

则Ux= u0.68=1.240.030V.

0.08V，而Ar原子的第一激发电位为结论：由此可得，Hg的第一激发电位UxHg=4.8

UxAr=1.240.030V。

思考题：

说明温度对充汞F-H管Ip-VG2k曲线影响的物理机制。

答：，在一定温度下（一般在发100 ?C至250 ?C），才可得到合适压强的汞蒸气，这时汞原子的密度也是合适的。汞蒸气对温度非常敏感，如果温度不在合适范围之内，会影响到汞原子在F-H管内的密度。如果温度较低，会导致F-H管中汞原子的密度较小，就进一步为汞原子专门提供与电子碰撞，这就使得电子的平均自由程变大，电子有机会使积蓄的能量超过4.9V，从而使高激发态的激发概率迅速增加，会Ip有了对应的峰，并在Ip-VG2kr 曲线上

有对应的峰，出现高激发态时的电位，这就会影响到实验的结果。如果温度较高，汞管内的密度较大，使电子每次能量到达4.9eV时，有足够大的概率与汞原子发生能量交换，使得电子的速度重新回到零，并需要重新加速，直到再次到达4.9eV，又与汞原子发生能量交换…….始终都在在基态和第一激发态之间，并且在Ip-VG2K曲线中会表现出有多个峰值，并且都是

处在第一激发态上。则会使所以说，在实验中对汞的温度也有一定的讲究：过高时，则在Ip-VG2k曲线上会出现多个峰；过低则会使得出现高激发态上的峰值，在图中表现为，两个峰

值的距离会加大。

实验心得:

1. 实验过程中，开始时使用的仪器，在调好了相关数据后，进行读数时，发现数据变化很小、，这就增大了读取数据的误差。后来换了一台仪器，读取时,电流随电压的改变而改变的幅度变大，这就大大减小了读取数据的误差，也使得实验中测量Hg的第一激发电位较为准确。所以我觉得在实验开始时调整好实验仪器，也是一件非常重要的事。

2. 在实验过程中，一定要定下心来。实验中读取数据有的时候是一件很枯燥单调的事，当需要读取的数据很多时，容易变得浮躁，使得会出现读取错误的情况。这就需要我们能够冷静自我，一心一意地去做自己要做的事，把需要实验的步骤做好。这很重要。