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1、弗兰克赫兹实验报告 实验原理 1、电子和气态汞原子碰撞 利用电子和气态汞原子的碰撞最容易实现弗兰克赫兹实验。 原子从低能级En向高能级Em跃迁可以通过具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。若 与原子碰撞的电子是在电势差V 的加速下，速度由0 到 v，则 2 2 1 mveVEEE nm 当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的V 称为第一激发电位，如果 电子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的V 称为该原子的电离电位。 2、实验装置 实验原理图： 电子碰撞在F-H 管内进行。真空管内充以不同的元素就可以测出相应元素的第一激发 电位。 F-H 四极管包括电极灯丝F，氧化物阴极K
2、，两个栅极G1 和 G2 和一个屏极A，阴极 K 照在灯丝F 外，又灯丝F 的电压可控制K 发射电子的强度，靠近阴极K 的实第一栅极，在 G1 和 K 之间加有一个小正电压VG1K ，第二栅极远离G1 而靠近屏极A，G2 和 A 之间加一 小的遏止负电压VG2A. F-H 管内充有Hg 时， VG2K 和屏流 Ip 满足： 2 3 exp 2K Gp VCI 充 Hg 的 F-H 管被加热式Hg 气化后， Ip-VG2K 曲线发生变化，如图所示 当 VG2K=4.9nV(n=1,2,3 )时，图线上都将出现一个峰值，原因是每到一个4.9V 电子 与汞原子发生了非弹性碰撞，电子将能量全部转移给汞
3、原子，失去能量的电子不能到达屏极。 实验步骤及内容 一、测 Hg 的第一激发电位 1、将装置温度调整到一定值，然后将Vf,Vp,Vg调制标定值 Vf=1.3V VG1K=2.5V VG2P=1.5V T=157 2、 测量 VG2K-Ip 曲线，先将 VG2K 跳至 (调至 )最小，之后每增大0.5V 记录一次Ip 的数据， 直到测出6 到 8 个峰 二、测 Ar 的第一激发电位 1、接线 2、扫描开关调至“自动”挡，速度开关调至“快进 （快速 ） ” 3、调整示波器“CH1” “CH2”的位置 4、调节 VG1,Vp,Vf的位置至给定值 5、开始测量，从零开始，VG2K 每隔 0.05V 记
4、录一次 Ip 值直到最大 VG2K 实际值：示数x10，Ip 实际值：示数x10（na） 测量数据及分析 1、汞 051015202530354045 0 5 10 15 20 I p / u A VG2K/V VG2K/ Ip/uA VG2K/V Ip/uA VG2K/V Ip/uA VG2K/V Ip/uA VG2K/V Ip/Ua 0.5 0 8 1.5 15.5 8.4 23 2.5 30.5 17.6 1 0 8.5 0.9 16 9.8 23.5 5 31 16.2 1.5 0 9 1 16.5 9.3 24 8 31.5 12 2 0 9.5 1.9 17 6.2 24.5 10
5、.6 32 7 2.5 0 10 3.1 17.5 2 25 12.5 32.5 4.2 3 0 10.5 4.8 18 1.2 25.5 14.9 33 5.2 3.5 0 11 6.1 18.5 3 26 14 33.5 8.7 4 0 11.5 7 19 5 26.5 10.9 34 12 4.5 0 12 5.3 19.5 7.5 27 6 34.5 16 5 0.5 12.5 2.5 20 9.9 27.5 2.9 35 19 5.5 1 13 1.1 20.5 11.9 28 3.8 35.5 20 6 2 13.5 1.2 21 12 28.5 6.2 36 18.2 6.5 3
6、 14 2.5 21.5 10.5 29 9.5 36.5 13 7 3.5 14.5 4.4 22 5.8 29.5 12.9 37 8.5 7.5 2.5 15 6.8 22.5 2.1 30 15.8 Hg的 Ip-VG2K数据 Hg 的 Ip-VG2K 图像 各峰值之间的VG2K 之差为 V1=11.41-6.92=4.49V V2= 16.15-11.41=4.74V V3= 20.78-16.15=4.63V V4=25.61-20.78=4.83V V5= 30.50-25.61=4.89V V6= 35.41-30.50=4.91V V7=40.30-35.41=4.89V 故
7、汞的第一激发电位为VV76.4 7 89.491.489.483.463.474.449.4 2、氩 VG2K /V Ip/uA VG2K /V Ip/uA VG2K /V Ip/uA VG2K /V Ip/uA VG2K /V Ip/uA VG2K /V Ip/uA VG2K /V Ip/uA VG2K /V Ip/uA 0.5 0 13 8.5 25.5 22.1 38 40.6 50.5 63.8 63 83.8 75.5 96.9 88 106.7 1 0 13.5 9.8 26 25.3 38.5 45.7 51 69.6 63.5 87.4 76 99.8 88.5 110.5 1
8、.5 0 14 11.1 26.5 27.6 39 50 51.5 72.2 64 89.1 76.5 100.9 89 112.8 2 0 14.5 11.9 27 30.7 39.5 53.1 52 73.8 64.5 88.3 77 100 89.5 112 2.5 0 15 13.1 27.5 33.4 40 56.1 52.5 73.5 65 85.9 77.5 96.8 90 110.8 3 0 15.5 14.4 28 35.1 40.5 56.7 53 71.3 65.5 81.7 78 91.5 90.5 107.2 3.5 0 16 15.6 28.5 37 41 56.4
9、 53.5 67.1 66 75.7 78.5 84.7 91 102.6 4 0 16.5 16.7 29 38.1 41.5 54.9 54 60.9 66.5 65.2 79 77.7 91.5 94.7 4.5 0 17 17.5 29.5 38.2 42 51.8 54.5 54 67 57.6 79.5 69.5 92 87 5 0 17.5 18.4 30 37.6 42.5 46.3 55 47 67.5 47.4 80 60.3 92.5 78.7 5.5 0 18 19.1 30.5 36.6 43 41.8 55.5 37.4 68 38 80.5 50.3 93 69.
10、3 6 0 18.5 19.5 31 34.7 43.5 35.8 56 28.9 68.5 28.3 81 41.1 93.5 61.7 6.5 0 19 19.7 31.5 32.6 44 29.6 56.5 21.7 69 22.5 81.5 32 94 52.9 7 0 19.5 19.5 32 29.4 44.5 23.7 57 15.5 69.5 17.4 82 29.4 94.5 49.6 7.5 0 20 19.3 32.5 26 45 18.1 57.5 11.9 70 16.4 82.5 28.4 95 46.8 8 0 20.5 18.8 33 22.3 45.5 13.
11、6 58 11 70.5 18.7 83 30.9 8.5 0 21 17.9 33.5 19.3 46 11.4 58.5 13.4 71 23.9 83.5 36 9 0.1 21.5 17.1 34 16.1 46.5 11.5 59 18.7 71.5 31.6 84 42.5 9.5 0.5 22 15.8 34.5 14.5 47 14.4 59.5 27.9 72 41.2 84.5 51.8 10 1.2 22.5 14.9 35 14.7 47.5 20.1 60 36 72.5 50 85 61.5 10.5 2.2 23 14.3 35.5 16.4 48 29.2 60
12、.5 45.8 73 58.4 85.5 69.1 11 3.4 23.5 14.5 36 19.7 48.5 35.5 61 56.1 73.5 69 86 77.6 11.5 4.6 24 15.4 36.5 24.4 49 43 61.5 63 74 77.4 86.5 87 12 6 24.5 17.2 37 30 49.5 50.1 62 71.8 74.5 86.4 87 96.8 12.5 7.3 25 19.3 37.5 35.3 50 57.6 62.5 78.9 75 92.9 87.5 101 Ar 的 Ip-VG2K 数据 各峰值之间的差为 V1=29.12-19.16
13、=9.96V V2=40.46-29.12=11.34V V3=52.09-40.46=11.63V V4=63.92-52.09=11.83V V5=76.33-63.92=12.41V V6=89.28-76.33=12.95V 故 Ar 的第一激发电位为VV69.11 6 95.1241.1286.1163.1134.1196.9 思考题 当 F-H 管温度较低时，由于电子平均自由程大，电子有机会使积蓄的能量超过4.9eV， 从而使原子向高激发态跃迁的概率增加，这样图像上Ip 会对应出现高激发态的峰值，曲线 的峰间距变长，峰值增大。当温度较高时，则会出现相反效果。 实验心得 当用示波器测量Ar 的第一激发电位时，要注意调整发射电子的强度，不能在最高处出 020406080100 0 20 40 60 80 100 120 I p / u A VG2K/V C Ar 的 Ip-VG2K 图像 现截止的情况。当测量Hg 的第一激发电位时，必须注意调整炉内温度，避免出现数据和图 像的异常。