1、精品弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)-可編輯 -精品一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解弗蘭克 - 赫茲試驗(yàn)的原理和方法；2、學(xué)習(xí)測(cè)定氬原子的第一激發(fā)電位的方法；3、證明原子能級(jí)的存在，加強(qiáng)對(duì)能級(jí)概念的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理玻爾提出的原子理論指出：原子只能較長(zhǎng)地停留在一些穩(wěn)定的狀態(tài)。原子在這種狀態(tài)時(shí)，不發(fā)射或吸收能量。 各定態(tài)有一定的能量， 其數(shù)值是彼此分隔得。原子的能量不論通過(guò)什么方式改變，它只能從一個(gè)狀態(tài)躍遷代另一個(gè)狀態(tài)。原子從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)而發(fā)射或吸收能量時(shí)，輻射的頻率是一定的。 于是有如下關(guān)系：hvEmEn ，式中， h 為普朗克常數(shù)。為了使原子從低能級(jí)想高能級(jí)躍遷，可以通過(guò)具有一定能量的電子與燕子相碰撞進(jìn)行能量

2、交換的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 1弗蘭克 - 赫茲管結(jié)構(gòu)圖夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)原理 (如圖 1 所示 )，陰極 K，板極 A，G1 、 G2 分別為第一、第二柵極。-可編輯 -精品K-G 1 -G 2 加正向電壓， 為電子提供能量。 U G1 K 的作用主要是消除空間電荷對(duì)陰極電子發(fā)射的影響，提高發(fā)射效率。G2-A 加反向電壓，形成拒斥電場(chǎng)。電子從 K 發(fā)出，在 K-G 2 區(qū)間獲得能量，在G2-A 區(qū)間損失能量。如果電子進(jìn)入 G2 -A 區(qū)域時(shí)動(dòng)能大于或等于e U G2 A ，就能到達(dá)板極形成板極電流I.電子在不同區(qū)間的情況：1. K-G 1 區(qū)間電子迅速被電場(chǎng)加速而獲得能量。2. G 1 -G 2 區(qū)間

3、 電子繼續(xù)從電場(chǎng)獲得能量并不斷與氬原子碰撞。當(dāng)其能量小于氬原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級(jí)差E E2E1 時(shí)，氬原子基本不吸收電子的能量，碰撞屬于彈性碰撞。當(dāng)電子的能量達(dá)到E，則可能在碰撞中被氬原子吸收這部分能量，這時(shí)的碰撞屬于非彈性碰撞。E 稱(chēng)為臨界能量。3. G 2 -A 區(qū)間 電子受阻，被拒斥電場(chǎng)吸收能量。若電子進(jìn)入此區(qū)間時(shí)的能量小于 eU G2A 則不能達(dá)到板極。I (nA)由此可見(jiàn)，若 eUG2KnE 則電子在進(jìn)入 G2-A 區(qū)域之前可能 n 次被氬原子碰撞而損失能量。板極電流I 隨加速電壓 U G 2K 變化曲線(xiàn)就形成n 個(gè)峰值，如圖 2 所示。-可編輯 -精品相鄰峰值之間的電壓差U 稱(chēng)

4、為氬原子的第一激發(fā)電位。 氬原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的能級(jí)差：E= eU三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟1 正確連接電路；2 啟動(dòng)預(yù)熱；3 手動(dòng)測(cè)量；4. 調(diào)節(jié)電壓，紀(jì)錄數(shù)據(jù)；5.繪制IA UGK曲線(xiàn) ；6. 數(shù)據(jù)處理。UG0.511.522.533.544.552k0000000000IAUG10.51111.51212.51313.51414.5152k0000000000IAUG20.52121.52222.52323.52424.5252k1.822.22.42.6333.13.23.3IAUG30.53131.53232.53333.53434.5352k2.22.42.733.43.84.34

5、.75.25.5IAUG40.54141.54242.54343.54444.5452k32.42.11.81.92.333.74.65.3UG50.55151.55252.55353.55454.5552k5.84.93.92.92.21.61.21.31.82.6IAUG60.56161.56262.56363.56464.5652k9.69.28.57.66.65.44.33.12.11.4IAUG70.57171.57272.57373.57474.5752k10.410.911.211.311.110.710.19.28.16.9IAUG80.58181.58282.58383.58

6、484.5852k7.18.59.410.511.311.912.312.612.612.3IA-可編輯 -精品UG90.59191.59292.59393.59494.5952k3.744.95.86.98.29.210.21111.9IAUG100.5101101.5102102.5103103.5104104.51052k9.58.47.46.76.26.16.26.67.28.1IAUG110.5111111.5112112.5113113.5114114.51152k14.814.714.213.713.112.311.510.810.19.7IAIAUGK 曲線(xiàn)數(shù)據(jù)處理：U1=26

7、.5V U2=37.0V U3=48.5V U4=60.5VU5=71.5V U6=83.5V U7=96.0V U8=109.0用逐差法計(jì)算第一激發(fā)電位可得：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)=11.71875V11.7V四、思考題能否用氫氣代替氬氣，為什么？-可編輯 -精品答：不能；氫氣是雙原子分子，激發(fā)的能級(jí)是分子能級(jí)而非原子能級(jí)。1. 為什么 I-U 曲線(xiàn)不會(huì)從原點(diǎn)開(kāi)始？答：電子由熱陰極發(fā)出， 剛開(kāi)始加速電壓主要用于消除陰極電子的散

8、射的影響，后來(lái)電子加速， 使其具有了較大的能量沖過(guò)反向拒斥電場(chǎng)而到達(dá)板極形成板流，并為微電流計(jì)所檢驗(yàn)出來(lái)，故曲線(xiàn)不是從原點(diǎn)開(kāi)始的。2. 為什么 T 不會(huì)降到零？答：隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也隨之增加， 在與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量， 可以克服反向拒斥電場(chǎng)到達(dá)板極，這時(shí)電流又開(kāi)始上升，不致下降到零。3. 為什么 I 的下降不是陡然的？答：因?yàn)?K 極發(fā)出的熱電子能量時(shí)服從麥克斯韋統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，因此極電流下降不是陡然的。4. 在 F-H 實(shí)驗(yàn)中，得到的 I-U 曲線(xiàn)為什么呈周期性變化？答：當(dāng) G2k 間的電壓達(dá)到氬原子的第一激發(fā)電位U0 時(shí)電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞， 將自己從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量給了氬原子，即使穿過(guò)了第二柵極也不能克服反向拒斥電場(chǎng)而被駁回第二柵極，所以，板極電流講顯著減小。隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也隨之增加， 在與氬原子想碰撞后還留下足夠的能量， 可以克服反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)到板極A ，這時(shí)電流又開(kāi)始上升，直到 G2K 間的電壓是二倍的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在UG2k 間又會(huì)因第二次碰撞而失去能量，因而又會(huì)造成第二次板極電流的下降，同理，凡UG2k之間電壓滿(mǎn)足： UG2k=nU0(n=1,2,3.)時(shí)，板極電流 IA 都會(huì)相應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏變化的 I-U 曲線(xiàn)。-可編輯 -精品5. 在 F-H 管的 I-U 曲線(xiàn)上的第一個(gè)峰