2024年弗兰克赫兹实验报告.docx
试验名称：弗兰克-赫兹试验
试验目的：
用试验的措施测定汞或氩原子的第一激发電位，從而证明原子分立态的存在；
练习使用微机控制的试验数据采集系统。
试验原理：
根据波尔的原子模型理论，原子中一定轨道上的電子具有一定的能量。當原子吸取或放出電磁辐射時或當原子与其他粒子发生碰撞時，原子状态會发生变化。变化過程中原子的能量变化不是任意的，而是受到波尔理论的两個基本假设的制约，即定态假设和频率定则。
由波尔理论可知，处在基态的原子发生状态变化時，其所需能量不能不不小于该原子從基态跃迁到第一受激态時所需的能量，這個能量称作临界能量。當電子与原子碰撞時，假如電子能量不不小于临界能量，则发生弹性碰撞；若電子能量不小于临界能量，则发生非弹性碰撞。這時，電子予以原子以临界能量，剩余能量仍由電子保留。
本仪器采用1只充氩气的四极管，其工作原理图如下：
當灯丝（H）點燃後，阴极（K）被加热，阴极上的氧化层即有電子逾出（发射電子），為消除空间電荷對阴极散射電子的影响，要在第一栅极（G1）、阴极之间加上一電压UG1K（一栅、阴電压）。假如此時在第二栅极（G2）、阴极间也加上一電压UG2K（二栅、阴電压），发射的電子在電場的作用下将被加速而获得越来越大的能量。
起始阶段，由于较低，電子的能量较小，虽然在运動過程中与電子相碰撞（為弹性碰撞）只有微小的能量互换。這样，穿過2栅的電子抵达阳极（A）[也惯称板极]所形成的電流（IA）板流（习惯叫法，即阳极電流）将随2栅的電压UG2K的增長而增大，當UG2K到达氩原子的第一激发電位（11.8V）時，電子在2栅附近与氩原子相碰撞（此時产生非弹性碰撞）。電子把加速電場获得的所有能量传递給了氩原子，使氩原子從基态激发到第一激发态，而電子自身由于把所有能量传递給了氩原子，它虽然穿過2栅极，也不能克服反向拒斥電場而被折回2栅极。
因此板极電流IA将明显減小，後来伴随二栅電压UG2K的增長，電子的能量也伴随增長，与氩原子相碰撞後還留下足够的能量。這又可以克服拒斥電場的作用力而抵达阳极，這時IA又開始上升，直到UG2K是2倍氩原子的第一激发電位時，電子在G2和K之间又會由于第2次非弹性碰撞而失去能量，因而又导致第2次IA的下降，這种能量转移伴随UG2K增長而IA周期性变化，若以UG2K為横坐標，以IA為纵坐標就可以得到一谱峰曲线，谱峰曲线两相邻峰尖（或谷點）间的UG2K電压差值，即為氩原子的第一激发電位值。
從這個试验阐明了夫兰克-赫兹管内的缓慢電子与氩原子相碰撞，使原子從低能级激发到高能级，并通過测量氩原子的激发電位值，阐明了玻尔——原子能级的存在。
重要的试验仪器及试验环节：
仪器面板简介：
前面板
背面板
试验环节：
1、插上電源，拨動電源開关。
2、将手動-自動档切换開关置于“手動”，微電流倍增開关置于10-9档。
3、先将灯丝電压VH、控制栅電压VG1K（阴极到第一栅极電压UG1K）、拒斥電压VG2A（阳极到第二栅极電压UG2A）缓慢调整到仪器机箱上所贴的“出廠检查参照参数”。预热10分钟，此過程中也許各参数會有小的波動，請微调各旋钮到初设值。
4、旋转UG2K调整旋钮，测定曲线。使栅极電压逐渐增長，每增長0.5v或者1v，记录對应的電压、電流值，伴随UG2K（加速電压）的增長，阳极電流表的值出現周期性峰值谷值，要尤其注意電流峰值（和谷值）所對应的電压，在峰值和谷值前後附近最佳多测几點，以便找到精确的峰值。以阳极電流為纵坐標第二栅電压為横坐標，作出谱峰曲线。测量時電流需要時间去稳定，這是由于電流值很小，是正常現象，变化電压一定要缓慢，否则電流稳定期间将变長。
5、根据所取数据點，列表作图，并讀取相邻電流峰值對应的電压，用逐差法计算出氩原子第一激发電位的平均值。
6、在试验完毕後，請勿長時间将UG2K置于最大值，应将其按逆時钟方向旋转至最小值。
数据处理：
氩原子第一激发電位Ug的测量
试验数据记录
a.试验条件
灯丝電压Uf=2V，拒斥場電压UR=7.5V，控制栅電压UG=2.1V。
b.试验数据
峰序号i
1
2
3
4
5
6
峰值電压Ui/V
16.85
27.95
39.44
51.02
63.55
76.46
（2）逐差法处理数据
数据序号i
1
2
3
(Ui+3-Ui)/V
34.17
35.60
37.02
求平均值：
3
求不确定度：
S
∵n