弗兰克-赫兹实验

弗兰克-赫兹实验 : 用电子碰撞原子的方法观察和测量汞的激发电 位和电离电位. : F-H管, 加热炉,加热灯丝,灵敏检流计,可调电源 等. : 实现原子从低能级到高能级的跃迁,可以使具有一定能量的电子和原子发生碰撞.若与之发生碰撞的电子是在电势 vV的加速下,速度从零增加到,则当电子的能量满足: 12,,,,,EEEeVmvmn时,电子将全部的能量交换2 给原子.由于两个能级之间的能量差是有确定的值,对应的电压就有确定的大小,当原子吸收电子的能量从基态跃迁到第 一激发态时,相就的电压值称为原子的第一激发电位.实验中就是测量汞原子的第一电位差. 实验中用F-H管来测量汞原子的第一激发电位.原理图 如下: F-H管内先注入少量汞，再抽成真空，在一定温度下， 得到合适压强的汞蒸气。电子由阴极K出发，受第二栅极 正电压作用加速，在管中与汞原子碰撞。逐渐增加KG22G 电压，观察屏极电流。发现电流逐渐增加，但每增加4.9V，都出现一次电流陡降。第一次陡降出现在4.1V左右，是由于仪器的接触电势所致。具有4.9eV的电子与汞原子碰撞， 将全部能量传递给汞原子，使其处于4.9eV的激发态。再增大电压，电子在F-H管中发生第二次、第三次…碰撞，屏极电流都会陡降。G的作用： 控制电子束电流并消除阴极附1 近电子聚集。屏极A与G间有负电压，使得与汞原子发生2 非弹性碰撞二损失了能量的电子不能到达A极。而G与G12间距较大，使电子与气体有较大的碰撞区域。 F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射电子，G控制通过 1 的电子数目，G加速电子，G、G空间较大，提供足够 1212的碰撞概率，A接收电子，AG加一扼止电压，使失去动能 2G 的电子不能到达，形成电流。 此过程在GG空间发生，在加速场的作用下，电子获12 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。当V,4.7VG2K 3时,使原子激发到6P，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故0 V,4.9V不容易观察到这个吸收。当时,使原子激发到G2K36P，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达A，1 V,9.8V形成第一个峰. 当时,电子与原子发生两次非弹G2K 性碰撞，在G处失去动能，形成第二个峰。同样, 当2 V,4.9nV(n,1,2....)时将形成第n个峰。图形为: G2K : 打开加热炉的电源,把温度调节拔到157度,对F-H管进行加热,待加热炉的指示灯由绿变红时,开始做实验,打开 V,2.2VVV,等的开关,并调节其值为: , fG1KG2K V,2.6VV,0.5VV,.调节大小, 先用“快扫”观察G1KG2KG2K 现象，后用“手动”档，记录相应的电流、电压值.实验中先把电压值从小到大调节,记录下电流和电压值,再把电压从大到小调节,记录下此值.实验中记得的数据如下: (1)电压从小到大调节时的数据为: P(最V(最 大值) 小值) 一组 U(V) 12.2 12.5 12.9 14.4 16.0 16.3 ,8 I(10A) 9 6 2 1 9 10 U(V) 二组 16.9 17.5 17.8 19.1 20.3 20.7 ,8 I(10A) 11 6 3 1 5 8 U(V) 三组 21.8 22.3 22.7 24.2 25.3 25.7 ,8I(10A) 14 9 6 2 7 11 U(V)四级 26.8 27.4 28.0 28.8 30.0 30.5 ,8 I(10A) 16 10 5 3 7 12 U(V)五组 31.5 32.3 33.0 33.9 35.1 35.5 ,8 I(10A) 19 13 8 4 9 13 U(V)六组 36.6 37.1 37.2 39.2 40.5 4.09 ,8 I(10A) 20 16 11 5 12 17 U(V)七组 41.3 42.5 43.4 44.6 45.2 45.8 ,8 I(10A) 20 15 9 7 12 19 最后还有一个数据是第七组最后对应的峰值 ,8U,47VI,23，10A,. 将以上的数据做成图形如图: 对应的峰值为: 1 2 3 4 5 6 7 8 12.2 16.9 21.8 26.8 31.5 36.6 41.3 47.0 峰值差为: 4.7 4.9 5.0 4.7 5.1 4.7 5.7 所以第一激发电位的平均值为: 4.7，4.9，5.0，4.7，5.1，4.7，5.7 V,,4.97V 7 n,2u,,,(x,x)/(n,1)由公式,Ai,和 n,1i 22U,(tu)，(,/C)pA仪可算得测量 0.36 u,,0.136VA列的不确定度,,0.362, 7 22U,(1.09，0.136)，(0.1/3),0.152V所以这组数据测量得到的汞的第一激发电位为 V,(4.97,0.15)V (2)电压从大到小调节时的数据为: P(最V(最 大值) 小值) 七组 U(V) 47.0 46.2 45.6 44.2 43.0 42.6 ,8 I(10A) 23 15 10 6 10 14 U(V) 六组 41.5 41.1 4.05 39.1 37.9 37.2 ,8 I(10A) 15 13 9 5 10 13 U(V)36.4 36.2 35.7 34.0 32.9 32.3 五组 ,8 I(10A) 14 13 9 4 7 11 U(V)四组 31.5 31.1 30.5 29.5 27.8 27.0 ,8 I(10A) 12 10 6 3 6 9 U(V)三组 26.1 25.5 25.2 24.2 22.7 22.1 ,8 I(10A) 10 5 4 2 6 8 U(V)二组 21.5 20.9 20.3 19.0 17.6 17.1 ,8 I(10A) 9 6 3 1 5 7 U(V) 一组 16.6 16.4 15.8 14.1 12.9 12.7 ,8 I(10A) 8 6 3 1 2 4 最后还有一个数据是第一组最后对应的峰值 ,8U,12.1VI,5，10A, 将以上的数据做成图形如图: 对应的峰值为: 8 7 6 5 4 3 2 1 47.0 41.5 36.4 31.5 26.1 21.5 16.6 12.1 峰值差为: 5.5 5.1 4.9 5.4 4.6 4.9 4.5 所以第一激发电位的平均值为: 5.5，5.1，4.9，5.4，4.6，4.9，4.5 V,,4.98V 7 n,2u,,,(x,x)/(n,1)由公式,Ai,和 n,1i 22U,(tu)，(,/C)pA仪可算得测量 0.376 u,,0.142VA列的不确定度,,0.376, 7 22U,(1.09，0.142)，(0.1/3),0.158V所以这组数据测量得到的汞的第一激发电位为 V,(4.98,0.16)V 从上面的两种测量汞原子的第一激发电位的方法得到 的实验测量值看,两组得到的实验数值离理论值还是比较接 近的. : (1)答:实验中改变灯丝F的电压可以调节K发射电子的强度,当F的电压变大时,K发射的电子数多,能到A的电子数也增多,在同等VI的条件下,电流强度增大,造成pG2K I,V的图形整体上移.相反,当F的电压变小时,图形整PG2K 体下移. (2)答:此次实验中,控制管内的汞气压是实验成败的关键.温度较底时,汞的饱和气压很低.这时,管中的汞原子的密度较 小,经过加速的后的电子和汞原子相碰的概率不是非常的大,4.9eV的能量,从而使向高激发态的激发概率迅速增加,甚到出现电离,这样这样,电子有机会在和汞原子相碰前积蓄超 I,V不利于实验的测量, 图像也很不标准,得到的测PG2K 量的数据了也会有较大的误差.常温下,汞的饱和气压很低,为得到合适的汞原子密度,实验中把管子放在恒温炉内加热,另外,汞蒸气压对温度非常敏感,所以实验中要把温度控制在很 稳定的状态下,为电子和汞子相碰提供足够大的概率,这样不会使太多的电子积蓄到大于4.9eV的能量时还未和汞原子 I,V发生碰撞,此时,成形的图形也比较理想,有利于实PG2K 验的测量.