弗兰克赫兹实验_论文

弗兰克—赫兹实验 ————第一激发电势的测定论文 学校: 学院: 专业: 组员: 指导教师:职称:副教授 2012年7月1日星期一 摘要:本实验通过改变灯丝电压,得观察和理解分析,得到氩原子的第一激发电势。。 关键词:弗兰克赫兹汞第一激发态近代物理实验 (一)引言 1913 年丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)提出并建立了玻尔原子模型理论,认为有原子能级存在。光谱学的研究证明了原子能级的存在,原子光谱中的每根谱线都相应示了原子从某一较高能态向另一较低能态跃迁时的辐射。然而,原子能级的存在除了可由光谱研究推得外,1914 年德国物理学家夫兰克和赫兹用慢电子与稀薄气体原子碰撞的,使原子从低能级激发到高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量,观察测量到了汞的激发电位和电离电位,直接证明了原子内部量子化能级的存在,也证明了原子发生跃迁时吸收和发射能量是完全正确的、不连续的,为早一年玻尔发表的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。他们因此而分享了1925 年诺贝尔物理学奖。其实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 玻尔因其原子模型理论获1922 年诺贝尔物理学奖,而夫兰克与赫兹的实验也于1925年获此大奖。夫兰克-赫兹实验与玻尔原子理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。 (二)实验设备(电脑XDFP软件F-H实验管WNZK-维度控制 仪FH-II弗兰克赫兹试验仪) (三)实验原理 夫兰克-赫兹实验的物理过程 图1 夫兰克-赫兹实验原理图 图中左侧为夫兰克-赫兹管(F-H管),它是一种密封的玻璃管,其中充有稀薄的原子量较大的汞或惰性气体原子。在这里灯丝用来对阴极K加热,使其发射热电子。灯丝电压Ur越高,阴极K发射的电子流也就越大。第一栅极G1的主要作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。栅极G1和阴极K之间的电压通常只有几伏。第二栅极G2的作用是在G2和K之间形成对电子加速的静电场。由阴极K发射的绝大多数热电子被栅极G1和G2所接收,并且其中被栅极G2接收的比例随加速电压UG2K的升高而增大。少量的发射电子穿过栅极G2达到极板P,形成板流IP。板流IP的大小由微电流测试仪进行测量。在板极P和G2之间加有一反向拒斥电压UG2P,它对电子减速,使经过碰撞后动能非常低的电子折回并被栅极G2接受,从而起到调节板流IP大小的作用。 设汞原子的基态能量为E1,第一激发态能量为E2,且由热阴极发射的电子初速度为零。受加速电场U2作用,电子到达栅极G2时所获得的能量为E=eU2 ,具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞。当U2较低时,电子能量eU2小于原子的激发能(即eU2eU G2P时,电子又能到达板极,使板流I P回升。当U2增大到2U0时,电子经第一次非弹性碰撞后的剩余能量足以使其与汞原子产生第二次非弹性碰撞,汞原子再次从电子中取得能量,能量交换的结果使I P再次下降。同理可知,U2继续增大时,电子会在第二栅极G2附近与汞原子发生第三次、第四次、……非弹性碰撞,引起板流I P的相应下跌。可见,随着加速电压U2的增加,板流I P会周期性地出现极大值和极小值,凡满足加速电压U2=nU0 (n=1,2,3,……)时,板流I P都会相应下跌,形成规则起伏的I P-U2特性曲线。曲线各峰值之间的等间隔规律表明:碰撞过程中电子有确定的能量传递给汞原子,而与相邻的两板流极大值(或 极小值)所对应的加速电压的差值就是汞原子的第一激发电位U0 。它的公认值为4.9V。 图2 充汞F-H管的Ip-U2特性曲线 (四)实验数据处理 (一)氩原子第一激发电势的测定。 表一实验参数记录 电流量程10uA Vg1k 1.1v 灯丝电压 2.8v Vg2k 4.5v 起始电压0v 测量步距0.1 终止电压100v 温度27.0℃ 等待时间0.4s 表二氩原子第一激发电势峰值峰谷数值记录表 峰值电 14.2 25.1 36.4 48.4 60.7 73.5 86.8 压(/v) 峰谷电 19.0 30.4 42.1 54.3 66.8 79.8 压(/v) 根据

公式

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:Vgk=nvg (n=1.2.3.4………) 令Y=k*x+b (其中k=vg n=x) 所以根据最小二乘法利用EXCEL可以求得 根据表二中的数据 (一)利用其峰值计算第一激发电势 k=12.105v r*r=0.997997 SA(x)=0.22v 所以:Vg=12.11v r=0.998998 SA(Vg)=0.22v 所以:Vg=(12.11+-0.22) v 根据表二中的数据 (二)利用其谷值计算第一激发电势 k=12.161v r*r=0.999897 SA(x)=0.18v 所以:Vg=12.161v r=0.99995 SA(Vg)=0.18v 所以:Vg=(12.16+-0.18) v (三)氩原子Ip—Vg2k的测定 表3. Ip—Vg2k数据记录表 0 0 4.4 10 8.8 12 13.2 20 0.1 0 4.5 10 8.9 14 13.3 21 0.2 0 4.6 10 9 13 13.4 20 0.3 0 4.7 10 9.1 13 13.5 20 0.4 0 4.8 10 9.2 12 13.6 21 0.5 0 4.9 10 9.3 13 13.7 21 0.6 0 5 10 9.4 12 13.8 20 0.7 0 5.1 10 9.5 13 13.9 22 0.8 0 5.2 10 9.6 12 14 0.9 0 5.3 10 9.7 12 14.1 23 1 0 5.4 10 9.8 14 14. 2 23 1.1 0 5.5 10 9.9 14 14.3 22 1.2 0 5.6 10 10 13 14.4 23 1.3 10 5.7 10 10.1 12 14.5 23 1.4 10 5.8 12 10.2 13 14.6 24 1.5 10 5.9 12 10.3 13 14.7 25 1.6 10 6 13 10.4 12 14.8 25 1.7 10 6.1 12 10.5 13 14.9 24 1.8 10 6.2 11 10.6 13 15 25 1.9 10 6.3 12 10.7 13 15.1 26 2 10 6.4 12 10.8 15 15.2 26 2.1 10 6.5 12 10.9 14 15.3 25 2.3 10 6.7 11 11.1 14 15.5 27 2.4 10 6.8 12 11.2 14 15.6 26 2.5 10 6.9 12 11.3 13 15.7 26 2.6 10 7 1.2 11.4 14 15.8 26 2.7 10 7.1 10 11.5 14 15.9 26 2.8 10 7.2 12 11.6 15 16 26 2.9 10 7.3 11 11.7 14 16.1 26 3 10 7. 4 12 11.8 1 5 16.2 25 3.1 10 7.5 12 11.9 15 16.3 25 3.2 10 7. 6 12 1 7 16.4 25 3.3 10 7.7 11 12.1 15 16.5 25 3.4 10 7. 8 12 12.2 15 16.6 25 3.5 10 7. 9 12 12.3 17 16.7 24 3.6 10 8 11 12.4 17 16.8 25 3.7 10 8.1 13 12.5 17 16.9 24 3.8 10 8.2 11 12.6 17 17 23 3.9 10 8.3 12 12.7 17 17.1 23 4 10 8.4 12 12.8 18 17.2 22 4.1 10 8. 5 13 12.9 19 17.3 22 4.2 10 8. 6 13 13 19 17.4 22 4.3 10 8. 7 13 13.1 19 17.5 22 17.6 21 22 57 26.4 62 26.4 62 17.7 21 22.1 5 8 26.5 63 26.5 63 17.8 20 22.2 56 26.6 63 26.6 63 17.9 21 22.3 53 26.7 61 26.7 61 18 21 22.4 52 26.7 60 26.7 60 18.1 22 22.5 53 26.9 59 26.9 59 18.2 21 22.6 55 27 58 27 58 18.3 22 22.7 54 27.1 58 27.1 58 18.4 22 22.8 55 27.2 57 27.2 57 18.5 23 22.9 55 27.3 55 27.3 55 18.6 24 23 56 27.4 53 27.4 53 18.7 24 23.1 58 27.5 52 27.5 52 18.8 26 23.2 55 27.6 50 27.6 50 18.9 26 23.3 56 27.7 47 27.7 47 19 27 23.4 58 27.8 47 27.8 47 19.1 28 23.5 58 27.9 44 27.9 44 19.2 29 23.6 58 28 42 28 42 19.3 30 23.7 58 28.1 41 28.1 41 19.4 31 23.8 59 28.2 39 28.2 39 19.5 33 23.9 66 28.3 36 28.3 36 19.6 35 24 60 28.4 36 28.4 36 19.7 37 24.1 59 28.5 33 28.5 33 19.8 38 24.2 60 28.6 33 28.6 33 20 42 24.4 61 28.8 24 28.8 24 20.1 43 24.5 59 28.9 24 28.9 24 20.2 44 24.6 61 29 22 29 22 20.3 46 24.7 61 29.1 20 29.1 20 20.4 46 24.8 61 29.2 19 29.2 19 20.5 49 24.9 61 29.3 18 29.3 18 20.6 50 25 62 29.4 18 29.4 18 20.7 51 25.1 63 29.5 17 29.5 17 20.8 52 25.2 63 29.6 17 29.6 17 20.9 54 25.3 63 29.7 17 29.7 17 21 55 25.4 63 29.8 16 29.8 16 21.1 55 25.5 63 29.9 18 29.9 18 21.2 55 25.6 64 30 18 30 18 21.3 58 25.7 63 30.1 20 30.1 20 21.4 59 25.8 63 30.2 23 30.2 23 21.5 60 25.9 64 30.3 24 30.3 24 21.6 61 26 63 30.4 25 30.4 25 21.7 56 26.1 63 30.5 28 30.5 28 21.8 56 26.2 62 30.6 30 30.6 30 21.9 55 26.3 63 30.7 32 30.7 32 26.4 62 35.2 101 35.2 101 35.2 101 26.5 63 35.3 101 35.3 101 35.3 101 26.6 63 35.4 101 35.4 101 35.4 101 26.7 61 35.5 103 35.5 103 35.5 103 26.7 60 35.6 103 35.6 103 35.6 103 26.9 59 35.7 102 35.7 102 35.7 102 27 58 35.8 102 35.8 102 35.8 102 27.1 58 35.9 102 35.9 102 35.9 102 27.2 57 36 103 36 103 36 103 27.3 55 36.1 104 36.1 104 36.1 104 27.4 53 36.2 103 36.2 103 36.2 103 27.5 52 36.3 104 36.3 104 36.3 104 27.6 50 36.4 103 36.4 103 36.4 103 27.7 47 36.5 103 36.5 103 36.5 103 27.8 47 36.6 102 36.6 102 36.6 102 27.9 44 36.7 103 36.7 103 36.7 103 28 42 36.8 103 36.8 103 36.8 103 28.1 41 36.9 102 36.9 102 36.9 102 28.2 39 37 102 37 102 37 102 28.3 36 37.1 101 37.1 101 37.1 101 28.4 36 37.2 100 37.2 100 37.2 100 28.5 33 37.3 100 37.3 100 37.3 100 28.6 33 37.4 100 37.4 100 37.4 100 28.7 29 37.5 99 37.5 99 37.5 99 28.9 24 37.7 97 37.7 97 37.7 97 29 22 37.8 97 37.8 97 37.8 97 29.1 20 37.9 96 37.9 96 37.9 96 29.2 19 38 96 38 96 38 96 29.3 18 38.1 94 38.1 94 38.1 94 29.4 18 38.2 91 38.2 91 38.2 91 29.5 17 38.3 92 38.3 92 38.3 92 29.6 17 38.4 90 38.4 90 38.4 90 29.7 17 38.5 88 38.5 88 38.5 88 29.8 16 38.6 86 38.6 86 38.6 86 29.9 18 38.7 83 38.7 83 38.7 83 30 18 38.8 83 38.8 83 38.8 83 30.1 20 38.9 79 38.9 79 38.9 79 30.2 23 39 77 39 77 39 77 30.3 24 39.1 74 39.1 74 39.1 74 30.4 25 39.2 70 39.2 70 39.2 70 30.5 28 39.3 69 39.3 69 39.3 69 30.6 30 39.4 66 39.4 66 39.4 66 30.7 32 39.5 64 39.5 64 39.5 64 48.4 127 48.4 127 48.4 127 48.4 127 48.5 126 48.5 126 48.5 126 48.5 126 48.6 126 48.6 126 48.6 126 48.6 126 48.7 126 48.7 126 48.7 126 48.7 126 48.8 124 48.8 124 48.8 124 48.8 124 48.9 125 48.9 125 48.9 125 48.9 125 49 125 49 125 49 125 49 125 49.1 122 49.1 122 49.1 122 49.1 122 49.2 122 49.2 122 49.2 122 49.2 122 49.3 122 49.3 122 49.3 122 49.3 122 49.4 121 49.4 121 49.4 121 49.4 121 49.5 120 49.5 120 49.5 120 49.5 120 49.6 118 49.6 118 49.6 118 49.6 118 49.7 118 49.7 118 49.7 118 49.7 118 49.8 116 49.8 116 49.8 116 49.8 116 49.9 114 49.9 114 49.9 114 49.9 114 50 113 50 113 50 113 50 113 50.1 112 50.1 112 50.1 112 50.1 112 50.2 110 50.2 110 50.2 110 50.2 110 50.3 108 50.3 108 50.3 108 50.3 108 50.4 107 50.4 107 50.4 107 50.4 107 50.5 106 50.5 106 50.5 106 50.5 106 50.6 102 50.6 102 50.6 102 50.6 102 50.7 100 50.7 100 50.7 100 50.7 100 50.8 98 50.8 98 50.8 98 50.8 98 51 95 51 95 51 95 51 95 51.1 90 51.1 90 51.1 90 51.1 90 51.2 88 51.2 88 51.2 88 51.2 88 51.3 86 51.3 86 51.3 86 51.3 86 51.4 85 51.4 85 51.4 85 51.4 85 51.5 83 51.5 83 51.5 83 51.5 83 51.6 79 51.6 79 51.6 79 51.6 79 51.7 77 51.7 77 51.7 77 51.7 77 51.8 76 51.8 76 51.8 76 51.8 76 51.9 74 51.9 74 51.9 74 51.9 74 52 71 52 71 52 71 52 71 52.1 69 52.1 69 52.1 69 52.1 69 52.2 68 52.2 68 52.2 68 52.2 68 52.3 67 52.3 67 52.3 67 52.3 67 52.4 65 52.4 65 52.4 65 52.4 65 52.5 64 52.5 64 52.5 64 52.5 64 52.6 64 52.6 64 52.6 64 52.6 64 52.7 62 52.7 62 52.7 62 52.7 62 57.2 117 61.6 138 66 91 70.4 137 57.3 120 61.7 137 66.1 90 70.5 140 57.4 122 61.8 137 66.2 90 70.6 141 57.5 121 61.9 136 66.3 91 70.7 141 57.6 125 62 135 66.4 92 70.8 142 57.7 125 62.1 133 66.5 93 70.9 145 57.8 126 62.2 132 66.6 93 71 144 57.9 128 62.3 132 66.7 94 71.1 145 58 129 62.4 130 66.8 94 71.2 146 58.1 132 62.5 128 66.9 95 71.3 148 58.2 132 62.6 129 67 96 71.4 147 58.3 134 62.7 129 67.1 96 71.5 149 58.4 133 62.8 127 67.2 96 71.6 150 58.5 135 62.9 126 67.3 98 71.7 150 58.6 136 63 124 67.4 99 71.8 152 58.7 136 63.1 117 67.5 99 71.9 152 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74.9 147 79.3 126 83.7 163 88.1 174 75 146 79.4 126 83.8 165 88.2 172 75.1 147 79.5 127 83.9 165 88.3 172 75.2 145 79.6 126 84 166 88.4 171 75.3 144 79.7 127 84.1 167 88.5 171 75.4 144 79.8 128 84.2 168 88.6 171 75.5 142 79.9 128 84.3 169 88.7 170 75.6 141 80 130 84.4 170 88.8 169 75.7 141 80.1 130 84.5 171 88.9 171 75.8 139 80.2 130 84.6 172 89 170 75.9 139 80.3 131 84.7 171 89.1 169 76 138 80.4 132 84.8 172 89.2 167 76.1 138 80.5 133 84.9 171 89.3 169 76.2 136 80.6 133 85 173 89.4 169 76.3 136 80.7 135 85.1 173 89.5 167 76.4 135 80.8 135 85.2 173 89.6 168 76.5 134 80.9 137 85.3 174 89.7 167 76.6 132 81 137 85.4 175 89.8 167 76.7 132 81.1 136 85.5 175 89.9 167 76.8 131 81.2 138 85.6 175 90 165 76.9 131 81.3 139 85.7 175 90.1 166 77 129 81.4 140 85.8 175 90.2 165 77.1 128 81.5 141 85.9 176 90.3 165 77.2 128 81.6 141 86 177 90.4 165 77.3 128 81.7 142 86.1 175 90.5 164 77.4 127 81.8 144 86.2 175 90.6 165 77.5 127 81.9 145 86.3 177 90.7 165 77.6 126 82 146 86.4 177 90.8 164 77.7 126 82.1 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