弗兰克赫兹实验的计算机仿真实验报告 弗兰克-赫兹实验实验报告

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1、实验目的 通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。二实验原理1激发电势玻尔的原子能级理论(1) 原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，(简称定态)。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。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。(2)原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满 足hv Em En( 1)原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。设初速度为零的电子在电势差为U的加速电场作用下，获得的能量为eU,当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子。

2、发生碰撞时，就会发生能量交换，如以Ei带表汞原子的基态能量，E2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为eU 0E2E1( 2)时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势(中肯电势)夫兰克-核子实验原理如图1示。在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出，阴极UGk/VK和栅极G之间的加速电压UGk供电子加速。在板极A和栅极G之间加有拒斥电压UAgo管子空间电位分布如图2示。当电子通过KG空间进入GA空间时，如果有较大的能量( eUA) 就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA检测出。如果电子在 KG空间与汞原子碰撞，把自己的一部分。

3、能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显著的减小。实验时，观察电流计的电流随“K逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的Ia-Ugk曲线。曲线反映了汞原子在 KG空间与电子进行能量交换的情况。当KG空间电压逐渐增加时， 电子在KG空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的能量 交换(弹性碰撞)。穿过栅极的电子形成的板流IA将随栅极电压的增加而增大(图中0A段)。当KG间的电。

4、压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给 了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA 将显著减小(图AB 段)。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子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,这时电流有开始上升(BC段)。直到KG间电压是二倍的汞原子因而又造成了第二次板极电流的的第一激发电势时， 电子在KG空间又会因为二次碰撞而失去能量,下降(CD段)，同理Ugk nU。(n-1, 2, 3,)( 3)凡符合。

5、( 3)式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK 曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差 U m i U m应该是汞原子的第一激发电势。三 实验仪器FH-1A夫兰克-赫兹实验仪(加热炉、微电流测量放大器)、温度计。四 实验内容及步骤1、 正确连接线路，A G H、K连线一一对应，不可混接或短路。2、 将微电流放大器，工作选择置于 DC工作状态置于 R,栅极电压调到最小，预热5分钟。3、 接通加热炉电源，温度升至180 C时调零(10-5档位)和满度(FULL)。4、 缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA的起伏变化，当卩A表满度时相应的改变倍率。5、 从0V起仔细调节栅。

6、极电压，细心观察IA的变化，同时记录数据。读出IA的峰谷值的电流和对应的电压，至少记录 4组峰谷值。为了准确反映实验规律，在峰谷值的两侧分别记两 组数据。6、 实验完毕，微电流放大器工作选择，工作状态置于0，栅极电压调到最小，只关闭加热炉点验，不要关闭微电流放大器。五、 数据记录及处理1实验数据记录峰1谷1峰2谷2峰3谷3峰4谷4UGk/V5I A/ 卩 A (10-)2数据处理(1)根据实验原理可以得到第一激发电势为U。UnU 峰n 1U峰nH或U。UnU谷n1 U 谷n，得U115.111.64.5U219.615.14.5U324.219.64.6U416.912.14.7U521.51。

7、6.94.6U626.221.54.7故Ui4.6V4.54.5 4.64.7 4.64.76(2)不确定度计算A类分量SU。)21)11 12,3(4.5 4.6)6 (6 1)0.0133B类不确定度分量0.29合成不确定度s2u2. 0.00132 0.8720.29 0.3(3 )第一激发电势为(4.5 4.6)2(4.6 4.6)2(4.74.6)2(4.6 4.6)2(4.74.6)2U0 U(4.60.3)VB100%6.5%U六实验结果及讨论1、由实验图象可以验证了汞原子的能级存在，并根据实验数据计算得到汞原子的第一激发电势为U0 U(4.60.3)V，与公认的理论值U04.9V符合的较好。2、误差可能出现的原因(1 )温度的微小变化引起的误差；(2)读数时的视觉误差；(3 )仪器自身的误差。开始阶段电流变化不明显，误差可能较大。七注意事项1、 连线时注意 A K、G H间的一一对应，避免混接或短路。2、对微电流放大器先进行预热，在接通加热炉电源。3、使用仪器时注意调零和满度。4、由于有热惯性，带加热炉温度稳定后进行测量。5、加热炉温度很高，避免灼伤。6、微电流放大器电流表满偏时迅速降低栅极电压或扩大电流表倍率，以免损坏仪器。