弗蘭克-赫茲實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有力支持，那麼，下面是本站小編給大家整理收集的弗蘭克赫茲實驗報告內容，供大家閲讀參考。
儀器
弗蘭克-赫茲管(簡稱F-H管)、加熱爐、温控裝置、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，實驗時要把F-H管置於控温加熱爐內。加熱爐的温度由控温裝置設定和控制。爐温高時，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，一個電子在兩次與汞原子碰撞的間隔內不會因柵極加速電壓作用而積累較高的能量。温度低時，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。輝光放電會降低管子的使用壽命，實驗中要注意防止。
F-H管電源組用來提供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的手動可調直流電壓或自動慢掃描輸出鋸齒波電壓，作為F-H管的加速電壓，供手動測量或函數記錄儀測量。微電流放大器用來檢測F-H管的板流，其測量範圍為10^-8A、10^-7A、10^-6A三擋。
微機X-Y記錄儀是基於微機的集數據採集分析和結果顯示為一體的儀器。供自動慢掃描測量時，數據採集、圖像顯示及結果分析用。
原理
玻爾的原子理論指出:①原子只能處於一些不連續的能量狀態E1、E2……，處在這些狀態的原子是穩定的，稱為定態。原子的能量不論通過什麼方式發生改變，只能是使原子從一個定態躍遷到另一個定態;②原子從一個定態躍遷到另一個定態時，它將發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定態的能量，則發射或吸收輻射的頻率由以下關係決定:
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，也可以通過具有一定能量的電子與原子相碰撞進行能量交換來實現。本實驗即讓電子在真空中與汞蒸氣原子相碰撞。設汞原子的基態能量為E1，第一激發態的能量為E2，從基態躍遷到第一激發態所需的能量就是E2-E1。初速度為零的電子在電位差為U的加速電場作用下具有能量eU，若eU小於E2-E1這份能量，則電子與汞原子只能發生彈性碰撞，二者之間幾乎沒有能量轉移。當電子的能量eU≥E2-E1時，電子與汞原子就會發生非彈性碰撞，汞原子將從電子的能量中吸收相當於E2-E1的那一份，使自己從基態躍遷到第一激發態，而多餘的部分仍留給電子。設使電子具有E2-E1能量所需加速電場的電位差為U0，則
eu0=E2-E1(2)
式中:U0為汞原子的第一激發電位(或中肯電位)，是本實驗要測的物理量。
實驗方法是，在充汞的F-H管中，電子由熱陰極發出，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衝作用，避免加速電壓過高時將陰極損傷。在板極P和G2間加反向拒斥電壓UpG2。當電子通過KG2空間，如果具有較大的能量(≥eUpG2)就能衝過反向拒斥電場而達到板極形成板流，被微電流計pA檢測出來。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，本身所剩能量太小，以致通過柵極後不足以克服拒斥電場而折回，通過電流計pA的電流就將顯著減小。實驗時，使柵極電壓UG2K由零逐漸增加，觀測pA表的板流指示，就會得出如圖2所示Ip~UG2K關係曲線。它反映了汞原子在KG2空間與電子進行能量交換的情況。當UG2K逐漸增加時，電子在加速過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汞原子的動能，與汞原子只是發生彈性碰撞，基本上不損失能量，於是穿過柵極到達板極，形成的板流Ip隨UG2K的增加而增大，如曲線的oa段。當UG2K接近和達到汞原子的第一激發電位U0時，電子在柵極附近與汞原子相碰撞，使汞原子獲得能量後從基態躍遷到第一激發態。碰撞使電子損失了大部分動能，即使穿過柵極，也會因不能克服反向拒斥電場而折回柵極。所以Ip顯著減小，如曲線的ab段。當UG2K超過汞原子第一激發電位，電子在到達柵極以前就可能與汞原子發生非彈性碰撞，然後繼續獲得加速，到達柵極時積累起穿過拒斥電場的能量而到達板極，使電流回升(曲線的bc段)。直到柵壓UG2K接近二倍汞原子的第一激發電位(2U0)時，電子在KG2間又會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，使板流第二次下降(曲線的cd段)。同理，凡 (3) 處，Ip都會下跌，形成規則起伏變化的Ip~UG2K曲線。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電位U0。
處於第一激發態的汞原子經歷極短時間就會返回基態，這時應有相當於eU0的能量以電磁波的形式輻射出來。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。
利用光譜儀從F-H管可以分析出這條波長λ=253.7(nm)的紫外線。
附:幾種常見元素的第一激發電勢(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
實驗要求
1)測繪F-H管Ip~UG2K曲線，確定汞原子的第一激發電位
(1)加熱爐加熱控温。將温度計棒插入爐頂小孔，温度計棒上有一固定夾用來調節此棒插入爐中的深度，固定夾的位置已調整好，温度計棒插入小孔即可。温度計棒尾端電纜線連接到"傳感器"專用插頭上，將此傳感器插頭插入控温儀後面板專用插座上。接通控温電源，調節控温旋鈕，設定加熱温度(本實驗約180℃)，讓加熱爐升温30min，待温控繼電器跳變時(指示燈同時跳變)已達到預定的爐温。
(2)測量F-H管的Ip~UG2K曲線。實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"手動調節"電位器旋鈕旋至最小(逆時針方向)。掃描選擇置於"手動"擋。微電流放大器量程可置於10-7A或10-8A擋(對充汞管)。待爐温到達預定温度後，接通兩台儀器電源。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)手動工作方式測量。緩慢調節"手動調節"電位器，增大加速電壓，並注意觀察微電流放大器出現的峯谷電流信號。加速電壓達到50V~60V時約有10個峯出現。在測量過程中，當加速電壓加到較大時，若發現電流表突然大幅度量程過載，應立即將加速電壓減少到零，然後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)再進行一次全過程測量。逐點測量Ip~UG2K的變化關係，然後，取適當比例在毫米方格紙上作出Ip~UG2K曲線。從曲線上確定出Ip的各個峯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電位U0的兩個值再取平均，並與標準值4.9V比較，求出百分差。若在全過程測量中，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)自動掃描方式測量。將"手動調節"電位器旋到零，函數記錄儀先不通電，調節"自動上限"電位器，設定鋸齒波加速電壓的上限值。可先將電位器逆時針方向旋到最小，此時輸出鋸齒波加速電壓的上限值約為50V，然後將"掃描選擇"開關撥到"自動"位置。當輸出鋸齒波加速電壓時，從電流表觀察到峯谷信號。鋸齒波掃描電壓達到上限值後，會重新回覆零，開始一次新的掃描。在數字電壓表、電流表上觀察到正常的自動掃描及信號後，可採用函數記錄儀記錄。記錄儀的X輸入量程可置於5V/cm檔，Y輸入量程可按電流信號大小來選擇，一般可先置於0.1V/cm檔。開啟記錄儀，即可繪出完整的Ip變化曲線。
注意事項
(1)實驗裝置使用220V交流單相電源，電源進線中的地線要接觸良好，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(⊥)連接，否則要損壞儀器。
(3)實驗過程中若產生電離擊穿(即電流表嚴重過載現象)時，要立即將加速電壓減少到零。以免損壞管子。
(4)加熱爐外殼温度較高，移動時注意用把手，導線也不要靠在爐壁上，以免灼傷和塑料線軟化。
弗蘭克赫茲實驗報告內容2實驗題目：弗蘭克赫茲實驗
實驗器材：F-H實驗管、恆温加熱電爐、F-H實驗裝置、示波器。
實驗內容：
1.熟悉實驗裝置，掌握實驗條件。
該實驗裝置由F-H管、恆温加熱電爐及F-H實驗裝置構成，其裝置結構如下圖所示：
C:Documents and SettingsAdministrator.EUPMS_1.000桌面3.jpg
F-V管中有足夠的液態汞，保證在使用温度範圍內管內汞蒸氣總處於飽和狀態。一般温度在100 ºC至250 ºC。並且由於Hg對温度的靈敏度高，所以温度要調好，不能讓它變化太大。燈絲電壓控制着陰極K發射電子的密度和能量分佈，其變化直接影響曲線的形狀和每個峯的位置，是一個關鍵的條件。
2.測量Hg的第一激發電位。
1)起動恆温控制器，加熱地F-H管，使爐温穩定在157 ºC，並選擇合適的燈絲電壓，VG1K=2.5V，VG2p=1.5V，Vf=1.3V。
2)改變VG2k的值，並記錄下對應的Ip值上(每隔0.2V記錄一個數據)。
3)作數據處理，作出對應的Ip-VG2k圖，並求出Hg的第一激發電位(用逐差法)。
3.測Ar原子的第一激發電位。
1)調節好相關的數據：Vp=8.36V，VG1=1.62V，VG2k=0~100V，Vf=2.64V;
2)將相關檔位調到自由檔位，在示波器上觀看得到的Ip-VG2k圖，是否符合實驗要求(有六個以上的波峯)。再將相關檔位調到手動檔位。
3)手動改變VG2k的值，並記錄下對應的Ip值上(每隔0.05V記錄一個數據)。
4)作數據處理，作出對應的Ip-VG2k圖，並求出Hg的第一激發電位(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電位的數據表
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2. Vp=8.36V VG1=1.62V VG2k=0~100V Vf=2.64V
求Ar原子的第一激發電位的數據表
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數據處理：
1. 求Hg原子的第一激發電位。
將在實驗中記錄下的數據，以點的形式描在x-y座標上，並用平滑曲線連接後得到的圖形為：大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
得到的七個峯值(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
則大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客=大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客=4.8V.
不確定度分析：
uA=大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
u0.68=1.32*uA=1.32*0.06V=0.08V.
則Ux=大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客u0.68=4.8大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.08V.
2. 求Ar原子的第一激發電位。
將在實驗中記錄下的數據，以點的形式描在x-y座標上，並用平滑曲線連接後得到的圖形為：大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
得到的六個峯值(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
大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客=大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客=1.24V.
不確定度分析：
uA=大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客
u0.68=1.32*uA=1.32*0.023V=0.030V.
則Ux=大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客u0.68=1.24大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.030V.
結論：由此可得，Hg的第一激發電位UxHg=4.8大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.08V，而Ar原子的第一激發電位為UxAr=1.24大學物理實驗報告-弗蘭克赫茲實驗 - zhou198865 - zhou198865的博客0.030V。
思考題：
説明温度對充汞F-H管Ip-VG2k曲線影響的物理機制。
答：，在一定温度下(一般在發100 ºC至250 ºC)，才可得到合適壓強的汞蒸氣，這時汞原子的密度也是合適的。汞蒸氣對温度非常敏感，如果温度不在合適範圍之內，會影響到汞原子在F-H管內的密度。如果温度較低，會導致F-H管中汞原子的密度較小，就進一步為汞原子專門提供與電子碰撞，這就使得電子的平均自由程變大，電子有機會使積蓄的能量超過4.9V，從而使高激發態的激發概率迅速增加，會Ip有了對應的峯，並在Ip-VG2kr 曲線上有對應的峯，出現高激發態時的電位，這就會影響到實驗的結果。如果温度較高，汞管內的密度較大，使電子每次能量到達4.9eV時，有足夠大的概率與汞原子發生能量交換，使得電子的速度重新回到零，並需要重新加速，直到再次到達4.9eV，又與汞原子發生能量交換…….始終都在在基態和第一激發態之間，並且在Ip-VG2K曲線中會表現出有多個峯值，並且都是處在第一激發態上。則會使所以説，在實驗中對汞的温度也有一定的講究：過高時，則在Ip-VG2k曲線上會出現多個峯;過低則會使得出現高激發態上的峯值，在圖中表現為，兩個峯值的距離會加大。
實驗心得:
1. 實驗過程中，開始時使用的儀器，在調好了相關數據後，進行讀數時，發現數據變化很小、，這就增大了讀取數據的誤差。後來換了一台儀器，讀取時,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，也使得實驗中測量Hg的第一激發電位較為準確。所以我覺得在實驗開始時調整好實驗儀器，也是一件非常重要的事。
2. 在實驗過程中，一定要定下心來。實驗中讀取數據有的時候是一件很枯燥單調的事，當需要讀取的數據很多時，容易變得浮躁，使得會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，把需要實驗的步驟做好。這很重要。