- 相關(guān)推薦
弗蘭克赫茲實(shí)驗報告內容
弗蘭克-赫茲實(shí)驗為能級的存在提供了直接的證據，對玻爾的原子理論是一個(gè)有力支持，那么，下面是CN人才公文網(wǎng)小編給大家整理收集的弗蘭克赫茲實(shí)驗報告內容，供大家閱讀參考。
弗蘭克赫茲實(shí)驗報告內容1
儀器
弗蘭克-赫茲管(簡(jiǎn)稱(chēng)F-H管)、加熱爐、溫控裝置、F-H管電源組、掃描電源和微電流放大器、微機X-Y記錄儀。
F-H管是特別的充汞四極管，它由陰極、第一柵極、第二柵極及板極組成。為了使F-H管內保持一定的汞蒸氣飽和蒸氣壓，實(shí)驗時(shí)要把F-H管置于控溫加熱爐內。加熱爐的溫度由控溫裝置設定和控制。爐溫高時(shí)，F-H管內汞的飽和蒸氣壓高，平均自由程較小，電子碰撞汞原子的概率高，一個(gè)電子在兩次與汞原子碰撞的間隔內不會(huì )因柵極加速電壓作用而積累較高的能量。溫度低時(shí)，管內汞蒸氣壓較低，平均自由程較大，因而電子在兩次碰撞間隔內有可能積累較高的能量，受高能量的電子轟擊，就可能引起汞原子電離，使管內出現輝光放電現象。輝光放電會(huì )降低管子的使用壽命，實(shí)驗中要注意防止。
F-H管電源組用來(lái)提供F-H管各極所需的工作電壓。其中包括燈絲電壓UF，直流1V~5V連續可調;第一柵極電壓UG1，直流0~5V連續可調;第二柵極電壓UG2，直流0~15V連續可調。
掃描電源和微電流放大器，提供0~90V的手動(dòng)可調直流電壓或自動(dòng)慢掃描輸出鋸齒波電壓，作為F-H管的加速電壓，供手動(dòng)測量或函數記錄儀測量。微電流放大器用來(lái)檢測F-H管的板流，其測量范圍為10^-8A、10^-7A、10^-6A三擋。
微機X-Y記錄儀是基于微機的集數據采集分析和結果顯示為一體的儀器。供自動(dòng)慢掃描測量時(shí)，數據采集、圖像顯示及結果分析用。
原理
玻爾的原子理論指出:①原子只能處于一些不連續的能量狀態(tài)E1、E2……，處在這些狀態(tài)的原子是穩定的，稱(chēng)為定態(tài)。原子的能量不論通過(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);②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，則發(fā)射或吸收輻射的頻率由以下關(guān)系決定:
hv=|Em-En|(1)
式中:h為普朗克常量。
原子從低能級向高能級躍遷，也可以通過(guò)具有一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換來(lái)實(shí)現。本實(shí)驗即讓電子在真空中與汞蒸氣原子相碰撞。設汞原子的基態(tài)能量為E1，第一激發(fā)態(tài)的能量為E2，從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量就是E2-E1。初速度為零的電子在電位差為U的加速電場(chǎng)作用下具有能量eU，若eU小于E2-E1這份能量，則電子與汞原子只能發(fā)生彈性碰撞，二者之間幾乎沒(méi)有能量轉移。當電子的能量eU≥E2-E1時(shí)，電子與汞原子就會(huì )發(fā)生非彈性碰撞，汞原子將從電子的能量中吸收相當于E2-E1的那一份，使自己從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而多余的部分仍留給電子。設使電子具有E2-E1能量所需加速電場(chǎng)的電位差為U0，則
eu0=E2-E1(2)
式中:U0為汞原子的第一激發(fā)電位(或中肯電位)，是本實(shí)驗要測的物理量。
實(shí)驗方法是，在充汞的F-H管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓UG2K使電子加速。第一柵極對電子加速起緩沖作用，避免加速電壓過(guò)高時(shí)將陰極損傷。在板極P和G2間加反向拒斥電壓UpG2。當電子通過(guò)KG2空間，如果具有較大的能量(≥eUpG2)就能沖過(guò)反向拒斥電場(chǎng)而達到板極形成板流，被微電流計pA檢測出來(lái)。如果電子在KG2空間因與汞原子碰撞，部分能量給了汞原子，使其激發(fā)，本身所剩能量太小，以致通過(guò)柵極后不足以克服拒斥電場(chǎng)而折回，通過(guò)電流計pA的電流就將顯著(zhù)減小。實(shí)驗時(shí)，使柵極電壓UG2K由零逐漸增加，觀(guān)測pA表的.板流指示，就會(huì )得出如圖2所示Ip~UG2K關(guān)系曲線(xiàn)。它反映了汞原子在KG2空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。當UG2K逐漸增加時(shí)，電子在加速過(guò)程中能量也逐漸增大，但電壓在初升階段，大部分電子達不到激發(fā)汞原子的動(dòng)能，與汞原子只是發(fā)生彈性碰撞，基本上不損失能量，于是穿過(guò)柵極到達板極，形成的板流Ip隨UG2K的增加而增大，如曲線(xiàn)的oa段。當UG2K接近和達到汞原子的第一激發(fā)電位U0時(shí)，電子在柵極附近與汞原子相碰撞，使汞原子獲得能量后從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。碰撞使電子損失了大部分動(dòng)能，即使穿過(guò)柵極，也會(huì )因不能克服反向拒斥電場(chǎng)而折回柵極。所以Ip顯著(zhù)減小，如曲線(xiàn)的ab段。當UG2K超過(guò)汞原子第一激發(fā)電位，電子在到達柵極以前就可能與汞原子發(fā)生非彈性碰撞，然后繼續獲得加速，到達柵極時(shí)積累起穿過(guò)拒斥電場(chǎng)的能量而到達板極，使電流回升(曲線(xiàn)的bc段)。直到柵壓UG2K接近二倍汞原子的第一激發(fā)電位(2U0)時(shí)，電子在KG2間又會(huì )因兩次與汞原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥電場(chǎng)，使板流第二次下降(曲線(xiàn)的cd段)。同理，凡 (3) 處，Ip都會(huì )下跌，形成規則起伏變化的Ip~UG2K曲線(xiàn)。而相鄰兩次板流Ip下降所對應的柵極電壓之差，就是汞原子的第一激發(fā)電位U0。
處于第一激發(fā)態(tài)的汞原子經(jīng)歷極短時(shí)間就會(huì )返回基態(tài)，這時(shí)應有相當于eU0的能量以電磁波的形式輻射出來(lái)。由式(2)得
eU0=hν=h·c/λ(4)
式中:c為真空中的光速;λ為輻射光波的波長(cháng)。
利用光譜儀從F-H管可以分析出這條波長(cháng)λ=253.7(nm)的紫外線(xiàn)。
附:幾種常見(jiàn)元素的第一激發(fā)電勢(U0)
元素
鈉(Na)
鉀(K)
鋰(Li)
鎂(Mg)
汞(Hg)
氦(He)
氖(Ne)
U0/V
2.12
1.63
1.84
3.2
4.9
21.2
18.6
實(shí)驗要求
1)測繪F-H管Ip~UG2K曲線(xiàn)，確定汞原子的第一激發(fā)電位
(1)加熱爐加熱控溫。將溫度計棒插入爐頂小孔，溫度計棒上有一固定夾用來(lái)調節此棒插入爐中的深度，固定夾的位置已調整好，溫度計棒插入小孔即可。溫度計棒尾端電纜線(xiàn)連接到"傳感器"專(zhuān)用插頭上，將此傳感器插頭插入控溫儀后面板專(zhuān)用插座上。接通控溫電源，調節控溫旋鈕，設定加熱溫度(本實(shí)驗約180℃)，讓加熱爐升溫30min，待溫控繼電器跳變時(shí)(指示燈同時(shí)跳變)已達到預定的爐溫。
(2)測量F-H管的Ip~UG2K曲線(xiàn)。實(shí)驗儀的整體連接可參考圖3，將電源部分的UF調節電位器、掃描電源部分的"手動(dòng)調節"電位器旋鈕旋至最小(逆時(shí)針?lè )较?。掃描選擇置于"手動(dòng)"擋。微電流放大器量程可置于10-7A或10-8A擋(對充汞管)。待爐溫到達預定溫度后，接通兩臺儀器電源。根據提供的F-H管參考工作電壓數據，分別調節好UF、UG1、UG2，預熱3~5min。
(a)手動(dòng)工作方式測量。緩慢調節"手動(dòng)調節"電位器，增大加速電壓，并注意觀(guān)察微電流放大器出現的峰谷電流信號。加速電壓達到50V~60V時(shí)約有10個(gè)峰出現。在測量過(guò)程中，當加速電壓加到較大時(shí)，若發(fā)現電流表突然大幅度量程過(guò)載，應立即將加速電壓減少到零，然后檢查燈絲電壓是否偏大，或適當減小燈絲電壓(每次減小0.1V~0.2V為宜)再進(jìn)行一次全過(guò)程測量。逐點(diǎn)測量Ip~UG2K的變化關(guān)系，然后，取適當比例在毫米方格紙上作出Ip~UG2K曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)上確定出Ip的各個(gè)峰值和谷值所對應的兩組UG2K值，把兩組數據分別用逐差法求出汞原子的第一激發(fā)電位U0的兩個(gè)值再取平均，并與標準值4.9V比較，求出百分差。若在全過(guò)程測量中，電流表指示偏小，可適當加大燈絲電壓(每次增大0.1V~0.2V為宜)
(b)自動(dòng)掃描方式測量。將"手動(dòng)調節"電位器旋到零，函數記錄儀先不通電，調節"自動(dòng)上限"電位器，設定鋸齒波加速電壓的上限值�？上葘㈦娢黄髂鏁r(shí)針?lè )较蛐阶钚�，此時(shí)輸出鋸齒波加速電壓的上限值約為50V，然后將"掃描選擇"開(kāi)關(guān)撥到"自動(dòng)"位置。當輸出鋸齒波加速電壓時(shí)，從電流表觀(guān)察到峰谷信號。鋸齒波掃描電壓達到上限值后，會(huì )重新回復零，開(kāi)始一次新的掃描。在數字電壓表、電流表上觀(guān)察到正常的自動(dòng)掃描及信號后，可采用函數記錄儀記錄。記錄儀的X輸入量程可置于5V/cm檔，Y輸入量程可按電流信號大小來(lái)選擇，一般可先置于0.1V/cm檔。開(kāi)啟記錄儀，即可繪出完整的Ip變化曲線(xiàn)。
注意事項
(1)實(shí)驗裝置使用220V交流單相電源，電源進(jìn)線(xiàn)中的地線(xiàn)要接觸良好，以防干擾和確保安全。
(2)函數記錄儀的X輸入負端不能與Y輸入的負端連接，也不能與記錄儀的地線(xiàn)(⊥)連接，否則要損壞儀器。
(3)實(shí)驗過(guò)程中若產(chǎn)生電離擊穿(即電流表嚴重過(guò)載現象)時(shí)，要立即將加速電壓減少到零。以免損壞管子。
(4)加熱爐外殼溫度較高，移動(dòng)時(shí)注意用把手，導線(xiàn)也不要靠在爐壁上，以免灼傷和塑料線(xiàn)軟化。
弗蘭克赫茲實(shí)驗報告內容2
實(shí)驗題目：弗蘭克赫茲實(shí)驗
實(shí)驗器材：F-H實(shí)驗管、恒溫加熱電爐、F-H實(shí)驗裝置、示波器。
實(shí)驗內容：
1.熟悉實(shí)驗裝置，掌握實(shí)驗條件。
該實(shí)驗裝置由F-H管、恒溫加熱電爐及F-H實(shí)驗裝置構成，其裝置結構如下圖所示：
C:Documents and SettingsAdministrator.EUPMS_1.000桌面3.jpg
F-V管中有足夠的液態(tài)汞，保證在使用溫度范圍內管內汞蒸氣總處于飽和狀態(tài)。一般溫度在100 ºC至250 ºC。并且由于Hg對溫度的靈敏度高，所以溫度要調好，不能讓它變化太大。燈絲電壓控制著(zhù)陰極K發(fā)射電子的密度和能量分布，其變化直接影響曲線(xiàn)的形狀和每個(gè)峰的位置，是一個(gè)關(guān)鍵的條件。
2.測量Hg的第一激發(fā)電位。
1)起動(dòng)恒溫控制器，加熱地F-H管，使爐溫穩定在157 ºC，并選擇合適的燈絲電壓，VG1K=2.5V，VG2p=1.5V，Vf=1.3V。
2)改變VG2k的值，并記錄下對應的Ip值上(每隔0.2V記錄一個(gè)數據)。
3)作數據處理，作出對應的Ip-VG2k圖，并求出Hg的第一激發(fā)電位(用逐差法)。
3.測Ar原子的第一激發(fā)電位。
1)調節好相關(guān)的數據：Vp=8.36V，VG1=1.62V，VG2k=0~100V，Vf=2.64V;
2)將相關(guān)檔位調到自由檔位，在示波器上觀(guān)看得到的Ip-VG2k圖，是否符合實(shí)驗要求(有六個(gè)以上的波峰)。再將相關(guān)檔位調到手動(dòng)檔位。
3)手動(dòng)改變VG2k的值，并記錄下對應的Ip值上(每隔0.05V記錄一個(gè)數據)。
4)作數據處理，作出對應的Ip-VG2k圖，并求出Hg的第一激發(fā)電位(用逐差法)。
4.得出結論。
原始數據:
1. Vf=1.3V VG1K=2.5V VG2p=1.5V T=157ºC
求汞原子的第一激發(fā)電位的數據表
大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
2. Vp=8.36V VG1=1.62V VG2k=0~100V Vf=2.64V
求Ar原子的第一激發(fā)電位的數據表
大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
數據處理：
1. 求Hg原子的第一激發(fā)電位。
將在實(shí)驗中記錄下的'數據，以點(diǎn)的形式描在x-y坐標上，并用平滑曲線(xiàn)連接后得到的圖形為：大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
得到的七個(gè)峰值(Ip)，對應的UG2K依次為：U1=7.0V , U2=11.6V , U3=16.0V , U4=21.0V , U5=25.8 V, U6=30.6V , U7=35.6V .
設Ux為Hg的第一激發(fā)電位，則有下列式子(逐差法)：
4*Ux1=U5-U1=25.8V-7.0V=18.8V, Ux1=4.7V;
4*Ux2=U6-U2=30.6V-11.6V=19.0V, Ux2=4.8V;
4*Ux3=U7-U3=35.6V-16.0V=19.6V, Ux3=4.9V
則大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客=4.8V.
不確定度分析：
uA=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
u0.68=1.32*uA=1.32*0.06V=0.08V.
則Ux=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客u0.68=4.8大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.08V.
2. 求Ar原子的第一激發(fā)電位。
將在實(shí)驗中記錄下的數據，以點(diǎn)的形式描在x-y坐標上，并用平滑曲線(xiàn)連接后得到的圖形為：大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
得到的六個(gè)峰值(Ip)，對應的UG2K依次為：U1=3.00V , U2=4.15V , U3=5.35V , U4=6.60V , U5=7.90V, U6=9.20V .
設Ux為Hg的第一激發(fā)電位，則有下列式子(逐差法)：
3*Ux1=U4-U1=6.60V-3.00V=3.60V, Ux1=1.20V;
3*Ux2=U5-U2=7.90V-4.15V=3.75V, Ux2=1.25V;
3*Ux3=U6-U3=9.20V-5.35V=3.85V, Ux3=1.28V
則
大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客=1.24V.
不確定度分析：
uA=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
u0.68=1.32*uA=1.32*0.023V=0.030V.
則Ux=大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客u0.68=1.24大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.030V.
結論：由此可得，Hg的第一激發(fā)電位UxHg=4.8大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.08V，而Ar原子的第一激發(fā)電位為UxAr=1.24大學(xué)物理實(shí)驗報告-弗蘭克赫茲實(shí)驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.030V。
思考題：
說(shuō)明溫度對充汞F-H管Ip-VG2k曲線(xiàn)影響的物理機制。
答：，在一定溫度下(一般在發(fā)100 ºC至250 ºC)，才可得到合適壓強的汞蒸氣，這時(shí)汞原子的密度也是合適的。汞蒸氣對溫度非常敏感，如果溫度不在合適范圍之內，會(huì )影響到汞原子在F-H管內的密度。如果溫度較低，會(huì )導致F-H管中汞原子的密度較小，就進(jìn)一步為汞原子專(zhuān)門(mén)提供與電子碰撞，這就使得電子的平均自由程變大，電子有機會(huì )使積蓄的能量超過(guò)4.9V，從而使高激發(fā)態(tài)的激發(fā)概率迅速增加，會(huì )Ip有了對應的峰，并在Ip-VG2kr 曲線(xiàn)上有對應的峰，出現高激發(fā)態(tài)時(shí)的電位，這就會(huì )影響到實(shí)驗的結果。如果溫度較高，汞管內的密度較大，使電子每次能量到達4.9eV時(shí)，有足夠大的概率與汞原子發(fā)生能量交換，使得電子的速度重新回到零，并需要重新加速，直到再次到達4.9eV，又與汞原子發(fā)生能量交換…….始終都在在基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間，并且在Ip-VG2K曲線(xiàn)中會(huì )表現出有多個(gè)峰值，并且都是處在第一激發(fā)態(tài)上。則會(huì )使所以說(shuō)，在實(shí)驗中對汞的溫度也有一定的講究：過(guò)高時(shí)，則在Ip-VG2k曲線(xiàn)上會(huì )出現多個(gè)峰;過(guò)低則會(huì )使得出現高激發(fā)態(tài)上的峰值，在圖中表現為，兩個(gè)峰值的距離會(huì )加大。
實(shí)驗心得:
1. 實(shí)驗過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)使用的儀器，在調好了相關(guān)數據后，進(jìn)行讀數時(shí)，發(fā)現數據變化很小、，這就增大了讀取數據的誤差。后來(lái)?yè)Q了一臺儀器，讀取時(shí),電流隨電壓的改變而改變的幅度變大，這就大大減小了讀取數據的誤差，也使得實(shí)驗中測量Hg的第一激發(fā)電位較為準確。所以我覺(jué)得在實(shí)驗開(kāi)始時(shí)調整好實(shí)驗儀器，也是一件非常重要的事。
2. 在實(shí)驗過(guò)程中，一定要定下心來(lái)。實(shí)驗中讀取數據有的時(shí)候是一件很枯燥單調的事，當需要讀取的數據很多時(shí)，容易變得浮躁，使得會(huì )出現讀取錯誤的情況。這就需要我們能夠冷靜自我，一心一意地去做自己要做的事，把需要實(shí)驗的步驟做好。這很重要。
【弗蘭克赫茲實(shí)驗報告內容】相關(guān)文章：
弗蘭克赫茲實(shí)驗報告10-04
物理實(shí)驗報告02-04
審計實(shí)驗報告01-31
ERP實(shí)驗報告08-03
實(shí)驗報告優(yōu)秀08-20
生物實(shí)驗報告11-01
實(shí)驗報告 范本02-02
科技實(shí)驗報告05-25
示波器實(shí)驗報告06-19