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1、夫兰克—赫兹实验中国海洋大学10级海洋科学类张钰摘要本实验测量了氩原子第一激发电位，同时分析了灯丝电压、第一栅极电压、反向拒斥电压和环境温度对曲线的影响。关键词夫兰克—赫兹实验，第一激发电位，曲线，影响1引言1913年,丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)提出了一个氢原子模型,并指出原子存在能级。该模型在预言氢光谱的观察中取得显著的成功。根据玻尔的原子理论,原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。1914年,德国物理学家夫兰克和赫兹通过实验测量,发现电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量,且可以使原子从低能级激发
2、到高能级,最终证明了玻尔理论的正确。夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段。通过夫兰克一赫兹实验,可以了解在气体放电现象中低能电子与原子相互作用的思想和方法,了解碰撞的微观过程与宏观表现之间的关系,并可以测量原子的第一激发电位和电离电位。本实验基于实验原理，测量氩元素的第一激发电位，并讨论不同参数变化时，实验曲线图形的变化的原因。2实验原理玻尔提出的原子理论指出,原子只能较长时间停留在一些稳定的状态(简称为定态),各定态都具有一定的能量,且能量值彼此分立。原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时,辐射频率是一定的。如果用Em
3、和En分别代表两定态的能量,辐射的频率�决定于如下关系:(h为普朗克常数）实验原理如图一所示：图1夫兰克-赫兹实验原理图在充氩的夫兰克-赫兹管中,电子由热阴极发出,阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压UG2A。当加速电压UG2K从零开始增大时,板极电流IA随着增大,当UG2K增大到氩原子的第一激发电位U0时,IA转为下降。说明电子与氩原子发生了第一次非弹性碰撞。随着UG2K的继续增大,板流IA又逐渐回升,当UG2K增大到2U0时,IA又转为下降,说明电子与氩原子发生了第二次非弹性碰
4、撞。以此类推,随着UG2K的继续增大,电子会与氩原子发生第三次、第四次非弹性碰撞,引起板流IA的相应下跌,凡满足加速电压UG2K=nUo(n=1,2,3)时,板流IA都会相应下跌,形成规则起伏变化的IA~UG2K曲线。3实验仪器FH-2智能夫兰克-赫兹实验仪一台，计算机一台（含计算机辅助实验系统）4实验内容1.利用FH-2智能夫兰克-赫兹实验仪手动测试氩元素的第一激发电位，记录IA和VG2K的值，绘出IA~VG2K曲线，计算氩元素的第一激发电位。2.利用智能夫兰克-赫兹实验仪自动测试，直接画出IA~VG2K曲线，求得氩元素第一激发电位。5实
5、验结果与分析5.1手动测试本实验仪器的参考参数如下：电流I灯丝电压VG1KVG2AVG2K1mA档2V1.5V10V最高82V实验时以1V为步长，观察电流I的峰值和谷值，同时记录下电流I和VG2K的值，所得数据如下：VG2K（V）0212731384449546066727982I（mA）00.00.00.10.00.20.00.30.00.50.00.70.4735550334631793425836991利用matlab三次样条插值技术，绘制I~VG2K曲线如下：图2手动测试I~VG2K曲线图从图中可以看出，0~21V之间出现了一个峰值
6、，这是插值的缘故。由于在开始增加VG2K时电流很小，用1mA量程的电流表很难测出，因此真实的情况应该是电流很弱的。后面数据插值的对与否，可以由下面的自动测量的图形检验，发现插值效果是很好的。所以在计算第一激发电位时应舍去第一个峰，应从第二个峰（谷）后计算第一激发电位。由于手动测量的数据精度不高，处理数据时将每两个相邻峰值的数据作差后取平均即得到粗略的第一激发电位。结果为12V。氩的第一激发电位为11.61V，相对误差3.36%。5.2自动测试自动测试时设置的工作参数如下：实验曲线如下图：图3自动测试I~VG2K曲线图测得第一激发电位为11.
7、5V。6影响曲线的因素分析6.1灯丝电压对曲线的影响首先可以设想改变灯丝电压曲线会如何变化。如果增大灯丝电压，阴极在单位时间内发射的电子数就越多，到达板极的电流就会增大，曲线应该是向上移动；相反，如果减小灯丝电压，电子数少，电流就会减小，曲线下移。实验时给定的参考参数是2V，若灯丝电压改变的幅度较大，如为1.5V，则会在开始VG2K增大时，检测不到电流。说明灯丝电压的大小是影响电流大小的一个因素。因此，我在做实验时，以0.2V为步长，对比曲线可以验证上述猜想。曲线如图：图4灯丝电压对I~VG2K曲线的影响从图中可以很清楚的看出，如果灯丝电压
8、过低，图像趋于平缓，这样就无法看清峰（谷）位置，测量误差较大。如果灯丝电压过高，图像较陡，虽然对于测量第一激发电位没有影响，但电压过高会对仪器寿命产生影响，因此实验时应选择最适灯
