1、標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用大全西安交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)第1頁(yè)共9頁(yè) 年 月曰 年 月曰 訂正、重做課程：_近代物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn) 日期：專業(yè)班號(hào) _ 組另H交報(bào)告日期:姓名_Bigger_學(xué)號(hào)_ 報(bào)告退發(fā) ：同組者 教師審批簽字：實(shí)驗(yàn)名稱：弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)測(cè)氬原子第一激發(fā)電位,了解Franck和Hertz在研究原子內(nèi)部能量量子化方面所采用的實(shí)驗(yàn)方法.2了解電子和原子碰撞和能量交換過(guò)程的微觀圖像.實(shí)驗(yàn)儀器FH 1A、Franck-Hertz 實(shí)驗(yàn)儀、示波器等.實(shí)驗(yàn)原理圖1是充氬四極Franck-Hertz實(shí)驗(yàn)原理圖Alr®2E.4AMEIF圖1 Fran ck-Hertz 實(shí)驗(yàn)原理圖電子與

2、原子的碰撞過(guò)程可以用一下方程描述：1 2 1 2 1 2 1 2 -mv- - MV2 my2 MV'2：E2 2 2 22.1式中：m原子質(zhì)量；M電子質(zhì)量；v電子碰撞前的速度；v'電子碰撞后的速度；V原子碰撞前的速度；V'原子碰撞后的速度； E原子碰撞后內(nèi)能的變化量.根據(jù)波爾原子能級(jí)理論, E = 0彈性碰撞； E = E1 - £非彈性碰撞；式中：Eo原子基態(tài)能量；E1原子第一激發(fā)態(tài)能量.電子碰撞前的動(dòng)能1/2 mev2 < E - Eo時(shí),電子與原子的碰撞為完全彈性碰撞, E = 0 ,原子仍然停留在基態(tài).電子只有在加速電場(chǎng)的作用下碰撞前獲得的動(dòng)

3、能1/2 mv2?E1- Eo,才能在電子產(chǎn)生非彈性碰撞,使得電子獲得某一值E1- Eo 的內(nèi)能從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài),調(diào)整加速電場(chǎng)的強(qiáng)度,電子與原子由彈性碰撞 到非彈性碰撞的變化過(guò)程將在電流上顯現(xiàn)出來(lái).Fran ck-Hertz管即是為此目的而專門設(shè)計(jì)的.在充入氬氣的F-H管中如圖2所示,陰極K被燈絲加熱發(fā)射電子,第一 柵極G1與陰K之間的電壓Vg1k約為1.5V,其作用是消除空間電荷對(duì)陰極 K的 影響.當(dāng)燈絲加熱時(shí),熱陰極K發(fā)射的電子在陰極K與第二柵極G2之間正電 壓形成的加速電場(chǎng)作用下被加速而取得越來(lái)越大的動(dòng)能,并與Vg2k空間分布的氣體氬原子發(fā)生如2.1式所描述的碰撞而進(jìn)行能量交換.第

4、二柵極G2和A極 之間的電壓稱為拒斥電壓,起作用是使能量損失較大的電子無(wú)法到達(dá)A極.陰極K發(fā)射的電子經(jīng)第一柵極G1選擇后局部電子進(jìn)入 G1G2空間,這些 電子在加速下與氬原子發(fā)生碰撞.初始階段,Vg2K較低,電子動(dòng)能較小,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與氬原子作彈性碰撞,不損失能量.碰撞后到達(dá)第二柵極G2的電子具有動(dòng)能1/2 mev',穿過(guò)G2后將受到Vg2k形成的減速電場(chǎng)的作用.只有動(dòng)能1/2 mv' 2大于eVG2A的電子才能到達(dá)陽(yáng)極 A形成陽(yáng)極電流Ia,這樣,Ia將隨著Vg2k的增加 而增大,如圖I A V32K曲線Oa段所示.當(dāng)Vg2K到達(dá)氬原子的第一激發(fā)電位13.1V時(shí),電子與氬原子在

5、第二柵極附近 產(chǎn)生非彈性碰撞,電子把從加速電場(chǎng)中獲得的全部能量傳給氬原子,使氬原子從較低能級(jí)的基態(tài)躍遷到較高能級(jí)的第一激發(fā)態(tài).而電子本身由于把全部能量給了 氬原子,即使他能穿過(guò)第二柵極也不能克服VG2A形成的減速電場(chǎng)的拒斥作用而被拆回到第二柵極,所以陽(yáng)極電流將顯著減少,隨著Vg2A的繼續(xù)增加,產(chǎn)生非彈性碰撞的電子越來(lái)越多,I A將越來(lái)越小,如圖2.2曲線ab段所示,直到b點(diǎn)形成 I A的谷值.%"b點(diǎn)以后繼續(xù)增加V32k,電子在G2K空間與氬原子碰撞后到達(dá)G2時(shí)的動(dòng)能足 以克服Vg2a加速電場(chǎng)的拒斥作用而到達(dá)陽(yáng)極A形成陽(yáng)極的電流Ia,與Oa段類 似,形成圖2.2曲線be段.直到VG2

6、K為2倍氬原子的第一激發(fā)電位時(shí),電子在 G2K空間有回音第二次非 彈性碰撞而失去能量,因此又形成第二次陽(yáng)極電流 Ia的下降,如圖2.2曲線ed 段,以此類推,I a隨著Vg2k的增加而呈周期性的變化.相鄰兩峰或谷,對(duì)應(yīng)的Vg2K的值之差即為氬原子的第一激發(fā)電位值.四、實(shí)驗(yàn)步驟同01) 棲1) 熟悉夫蘭克一一赫茲實(shí)驗(yàn)儀各開(kāi)關(guān)按鈕的作用及示波器的使用方法.2) 不要急于按入電源開(kāi)關(guān),應(yīng)先將一？四個(gè)電壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針旋到底,并把I A量程切換開(kāi)關(guān)置于“x 10-7(100nA) , VG2K輸出端口和I A輸出端口分別用 帶Q9連接頭的電纜連接至示波器或其他設(shè)備 X軸輸入端口和丫軸輸入端口.3) 如

7、果輸出端口和連接的是示波器,自動(dòng) /手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)置于“自動(dòng), 快速/慢速切換開(kāi)關(guān)置于“快速,否那么切換開(kāi)關(guān)置于“慢速.4) 按入電源開(kāi)關(guān),接通儀器電源,配合使用電壓指示切換開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕一？,使Vh約為5V (數(shù)值不可太小,以免逸出電子數(shù)量少、能量低 ), 并重復(fù)操作依次調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕(11)和(12), 分別使Vgik約為1.7V,Vg2A約為8V(數(shù) 值過(guò)高易使拒斥電壓過(guò)高,能量損失較大的電子無(wú)法到達(dá) A極).5) 逐漸調(diào)節(jié)(13),改變電壓 Vg2k,調(diào)節(jié)示波器X和丫各相關(guān)旋鈕,使波形正向, 清楚穩(wěn)定,無(wú)重疊,并要求X軸滿屏顯示,丫軸幅度適中.6再次調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕一13,使波形

8、如圖 2所示的,并保證可觀察到6個(gè) 以上的Ia峰值或谷值,且峰谷幅度適中,無(wú)上端切頂現(xiàn)象,從左至右,Ia各 谷值逐個(gè)抬高.7測(cè)量示波器上所示波形圖中相鄰Ia谷值或峰值所對(duì)應(yīng)的 VG2K之差即顯 示屏上相鄰谷值或峰值的水平距離求出氬原子的第一激發(fā)電位.8選擇手動(dòng),慢速測(cè)量此內(nèi)容可以不使用示波器,使VG2K從最小開(kāi)始,每間隔5V逐漸增大,在隨著VG2K的值改變I A劇烈變化時(shí),應(yīng)該減少采樣點(diǎn)之間的電 壓值間距,使所采樣的點(diǎn)值能夠盡量反映出電流與電壓的波形曲線輪廓,在極值點(diǎn)附近進(jìn)行密集采樣.記錄I A與V值,測(cè)量至少包括6個(gè)峰值5個(gè)谷值,按 記錄數(shù)據(jù)畫(huà)出圖形.9根據(jù)圖形計(jì)算出相鄰Ia谷值或峰值所對(duì)應(yīng)

9、的VG2K之差求出6個(gè)峰值之 間的5個(gè)VG2K之差,再求取平均值,以使測(cè)量結(jié)果更精確.求出氬原子的第一 激發(fā)電位.五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理第一組：VHh = 3.3VVAG2 = 4.2VVGik= 2.5V0.02.04.06.08.010.012.014.016.0I a/10-9A0.00.00.13.84.55.25.76.26.5V32KV18.020.022.024.026.028.030.032.034.0I a/10-9A6.66.97.78.69.49.79.19.511.6VG2KV36.038.040.042.044.046.048.050.052.09I a/10 a13

10、.514.614.612.814.618.221.222.121.6V32KV54.056.058.060.062.064.066.068.070.0I a/10-9A19.222.127.430.832.531.129.132.738.6V32KV72.074.076.078.080.082.084.086.088.0I a/10-9A43.546.245.642.444.851.557.360.058.8V32KV90.092.094.096.098.099.6_9I A/10 a56.458.763.969.875.976.3根據(jù)圖形計(jì)算出相鄰Ia峰值所對(duì)應(yīng)的VG2K之差得：Vi = 3

11、9.13 - 27.76 = 11.37VV2 = 50.67 - 39.13 = 11.54VV3 = 62.21 - 50.67 = 11.54VV4 = 74.75 - 62.21 = 12.54VV5 = 86.29 - 74.75 = 11.54VVg2k = ( V1 + V1 + V + V1 + V) / 511.71V故氬原子的第一激發(fā)電位實(shí)驗(yàn)值為 11.71V,相對(duì)誤差6 = "1.71-13.1胡0.6%13.1V32KV0.02.04.06.08.0i0.0i2.0i4.0i6.0I A/i0-9A0.00.00.i3.94.75.35.86.i6.4V32K

12、Vi8.020.022.024.026.028.030.032.034.0I a/i0-9A6.56.77.48.29.09.28.49.iii.0V32I/V36.038.040.042.044.046.048.050.052.0I A/i0-9Ai2.9i3.8i3.7i2.0i3.4i7.ii9.520.8i9.8V32I/V54.056.058.060.062.064.066.068.070.0IA/i0-9Ai8.62i.i26.030.03i.830.928.43i.337.6V32I/V72.074.076.078.080.082.084.086.088.0IA/i0-9A43.

13、545.344.542.244.250.356.460.36i.iV321/V90.092.094.096.098.099.89l"io A58.959.865.772.978.079.8第二組：VHh = 3.3VVAg2 = 4.2V VGik= 2.8V根據(jù)圖形計(jì)算出相鄰Ia峰值所對(duì)應(yīng)的VG2K之差得:Vi =39.i3 -27.42 =ii.7iVV2 =50.i7 -39.i3 =ii.04VV3 =62.88 -50.i7 =i2.7iVV4 =74.25 -62.88 =ii.37VV5 =87.29 -74.25 =i3.04V四旦8.6%.i3.iVG2K = (

14、Vi + Vi + Vi + Vi + Vi) / 511.97V 故氬原子的第一激發(fā)電位實(shí)驗(yàn)值為11.97V,相對(duì)誤差、=由于VGiK值改變的較小,所以上下差異較小,但還是能看出變化規(guī)律：曲線 隨著VGik增大而上升.還可以VGik看到增大時(shí),出現(xiàn)了略微左移的現(xiàn)象,說(shuō)明在 小的加速電壓下,第一柵極電壓消除電子在陰極附近堆積效應(yīng)的作用比擬明顯, 并且對(duì)電子還具有一定的加速作用,因此通過(guò)第一柵極后的電子速度較大, 此時(shí) 需要的加速電壓相對(duì)減小,故電流峰值左移.六、思考題1解釋圖像形成原因.答：玻爾的原子理論指出：原子只能處于一些不連續(xù)的能量狀態(tài)日、E2,處在這些狀態(tài)的原子是穩(wěn)定的,稱為定態(tài).原子

15、的能量不管通過(guò)什 么方式發(fā)生改變,只能是使原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)；原子從一 個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí),它將發(fā)射或吸收輻射的頻率是一定的.如果用 Em和En分別代表原子的兩個(gè)定態(tài)的能量,那么發(fā)射或吸收輻射的頻率由以下關(guān) 系決定：hv=| Em一 Ei| o根據(jù)波爾原子能級(jí)理論, E = 0時(shí)發(fā)生彈性碰撞, E = El - Eo時(shí)發(fā) 生非彈性碰撞,電子碰撞前的動(dòng)能1/2 mev2 < Ei - Eo時(shí),電子與原子的碰撞為完全彈性碰撞, E = 0,原子仍然停留在基態(tài).電子只有在加速電場(chǎng)的 作用下碰撞前獲得的動(dòng)能1/2mev2 > Ei - Eo,才能在電子產(chǎn)生非彈性碰撞, 使

16、得電子獲得某一值Ei - &的內(nèi)能從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài).就本實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō),每到達(dá)一次第一激發(fā)相位就會(huì)有一次電子與原子大規(guī)模 碰撞,電子動(dòng)能減為零,對(duì)應(yīng)一次電流的突降,以此類推就會(huì)形成這樣的圖像.2為什么要取谷/峰值？答：由實(shí)驗(yàn)原理可知,每到達(dá)一次第一激發(fā)相位就會(huì)有一次電子與原子大規(guī)模碰撞,電子動(dòng)能降低,故峰值對(duì)應(yīng)的Vg2K的值之差即為氬原子的第一激發(fā)電位值3從何時(shí)開(kāi)始算圖像？答：這是由于熱電子溢出金屬外表或者被電極吸收,需要克服一定的接 觸電勢(shì),其來(lái)源就是金屬的溢出功,所以第一峰的位置會(huì)有偏差.故應(yīng)當(dāng)從 出現(xiàn)突變開(kāi)始算圖像,就本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō),應(yīng)當(dāng)從 6.0V開(kāi)始計(jì)算.4實(shí)驗(yàn)值比理論值低的

17、原因？答：氬原子的基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間有兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài).從光波粒二項(xiàng)性理 論可知,該電子在亞穩(wěn)態(tài)的停留時(shí)間10-3s比在經(jīng)一激發(fā)態(tài)的停留時(shí)間10-8s長(zhǎng)10多萬(wàn)倍.更好的描述是能態(tài)修正時(shí)空數(shù)據(jù)四緯波函數(shù)方程模 型理論和宇稱守恒理論.通過(guò)這些理論公式可得到相對(duì)準(zhǔn)確的氬原子軌道狀態(tài)能量模型,如圖1所示釋放內(nèi)能釋放光能第一激發(fā)態(tài)一J兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)二_吸收內(nèi)能基態(tài)圖1相對(duì)準(zhǔn)確的氬原子軌道狀態(tài)能量模型其中,基態(tài)的電勢(shì)是V0= 15.76V;兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的電勢(shì)分別是 Vi' = 4.21V, V = 4.04V;第一激發(fā)態(tài)的電勢(shì)是 Vi = 2.68eV;基態(tài)與兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的電勢(shì) 差分別是 Vi' =

18、 V0 - V' = 11.55V,Vi = Vo - Vi = 11.72V ;兩個(gè)亞 穩(wěn)態(tài)與基態(tài)的能量差分別是 E' = 11.55eV,Ei = 11.72eV .在我們的FH實(shí)驗(yàn),氬原子的電子吸收內(nèi)能從基態(tài)“跑到第一激發(fā)態(tài), 再迅速釋放內(nèi)能從第一激發(fā)態(tài)“跑到兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)中的任意一個(gè).吸收的內(nèi) 能來(lái)自非彈性碰撞過(guò)程,釋放的內(nèi)能又還給了非彈性碰撞過(guò)程.這個(gè)過(guò)程, 可看成電子吸收內(nèi)能人基態(tài)“跑到兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)中的任意一個(gè).因此運(yùn)動(dòng)電 子的動(dòng)能大于11.8eV時(shí),即可與氬原子發(fā)生非彈性碰撞.由此可知,F H實(shí)驗(yàn)中氬原子的第一激發(fā)電位應(yīng)為基態(tài)與兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的電勢(shì)差.因此在F H實(shí)驗(yàn)中氬原子的第一激發(fā)電位修正為 V = 11.55V,V = 11.72V.這與 我們的實(shí)驗(yàn)值就較為接近了.5為什么常用電子來(lái)研究原子的特性？答：a電子是構(gòu)成原子的根本粒子之一,質(zhì)量極小,帶單位負(fù)電荷,不同的原 子擁有的電子數(shù)目不同.b電子的質(zhì)量小,便于加速,從而得到高速的電子,這是研究原子的一個(gè) 常用工具.c原子是一種元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位.一個(gè)原子包含有一個(gè)致 密的原子核及假設(shè)干圍繞在原子核周圍帶負(fù)電的電子.原子的質(zhì)子數(shù)決定 他所屬于哪種元素,而原子的電子數(shù)等于