弗兰克-赫兹实验报告

大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验
实验题目：弗兰克赫兹实验
实验器材：F －H 实验管、恒温加热电炉、F －H 实验装置、示波器。

实验内容：
1．熟悉实验装置，掌握实验条件。

该实验装置由F －H 管、恒温加热电炉及F －H 实验装置构成，其装置结构如下图所示：
F-V 管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。

一般温度在100 ºC 至250 ºC 。

并且由于Hg 对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。

灯丝电压控制着阴极K 发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个峰的位置，是一个关键的条件。

2．测量Hg 的第一激发电位。

1）起动恒温控制器，加热地F-H 管，使炉温稳定在157 ºC ，并选择合适的灯丝电压，
V G1K =2.5V ，V G2p =1.5V ，V f =1.3V 。

2）改变V G2k 的值，并记录下对应的Ip 值上（每隔0.2V 记录一个数据）。

3）作数据处理，作出对应的Ip-V G2k 图，并求出Hg 的第一激发电位（用逐差法）。

3．测Ar原子的第一激发电位。

1）调节好相关的数据：V p=8.36V，V G1=1.62V，V G2k=0~100V，V f=2.64V；
2）将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的Ip-V G2k图，是否符合实验要求（有六个以上的波峰）。

再将相关档位调到手动档位。

3）手动改变V G2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.05V记录一个数据）。

4）作数据处理，作出对应的Ip-V G2k图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。

4．得出结论。

原始数据:
1. V f=1.3V V G1K=
2.5V V G2p=1.5V T=157ºC
求汞原子的第一激发电位的数据表
2. V p=8.36V V G1=1.62V V G2k=0~100V V f=2.64V
求Ar原子的第一激发电位的数据表
数据处理：
1．求Hg原子的第一激发电位。

将在实验中记录下的数据，以点的形式描在x-y坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图形为：得到的七个峰值（Ip），对应的U G2K依次为：U1=7.0V , U2=11.6V , U3=16.0V , U4=21.0V ,
U 5=25.8 V, U
6
=30.6V , U
7
=35.6V .
设U x为Hg的第一激发电位，则有下列式子（逐差法）：
4*U
x1=U
5
-U
1
=25.8V-7.0V=18.8V, U
x1
=4.7V;
4*U
x2=U
6
-U
2
=30.6V-11.6V=19.0V, U
x2
=4.8V;
4*U
x3=U
7
-U
3
=35.6V-16.0V=19.6V, U
x3
=4.9V 则==4.8V.
不确定度分析：
u A=
u0.68=1.32*u A=1.32*0.06V=0.08V.
则U x=u0.68=4.80.08V.
2. 求Ar原子的第一激发电位。

将在实验中记录下的数据，以点的形式描在x-y坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图形为：得到的六个峰值（Ip），对应的U G2K依次为：U1=3.00V , U2=4.15V , U3=5.35V , U4=6.60V ,
U 5=7.90V, U
6
=9.20V .
设U x为Hg的第一激发电位，则有下列式子（逐差法）：
3*U
x1=U
4
-U
1
=6.60V-3.00V=3.60V, U
x1
=1.20V;
3*U
x2=U
5
-U
2
=7.90V-4.15V=3.75V, U
x2
=1.25V;
3*U
x3=U
6
-U
3
=9.20V-5.35V=3.85V, U
x3
=1.28V 则
==1.24V.不确定度分析：
u A=
u0.68=1.32*u A=1.32*0.023V=0.030V.
则U x=u0.68=1.240.030V.
结论：由此可得，Hg的第一激发电位U xHg=4.80.08V，而Ar原子的第一激发电位为
U xAr=1.240.030V。

思考题：
说明温度对充汞F-H管Ip-V G2k曲线影响的物理机制。

答：，在一定温度下（一般在发100 ºC至250 ºC），才可得到合适压强的汞蒸气，这时汞原子的密度也是合适的。

汞蒸气对温度非常敏感，如果温度不在合适范围之内，会影响到汞原子在F-H管内的密度。

如果温度较低，会导致F-H管中汞原子的密度较小，就进一步为汞原子专门提供与电子碰撞，这就使得电子的平均自由程变大，电子有机会使积蓄的能量超过4.9V，从而使高激发态的激发概率迅速增加，会Ip有了对应的峰，并在Ip-V G2k r 曲线上有对应的峰，出现高激发态时的电位，这就会影响到实验的结果。

如果温度较高，汞管内的密度较大，使电子每次能量到达4.9eV时，有足够大的概率与汞原子发生能量交换，使得电子的速度重新回到零，并需要重新加速，直到再次到达4.9eV，又与汞原子发生能量交换…….始终都在在基态和第一激发态之间，并且在Ip-V G2K曲线中会表现出有多个峰值，并且都是处在第一激发态上。

则会使所以说，在实验中对汞的温度也有一定的讲究：过高时，则在Ip-V G2k曲线上会出现多个峰；过低则会使得出现高激发态上的峰值，在图中表现为，两个峰值的距离会加大。

实验心得:
1.实验过程中，开始时使用的仪器，在调好了相关数据后，进行读数时，发现数据变化很小、，这就增大了读取数据的误差。

后来换了一台仪器，读取时,电流随电压的改变而改变的幅度变大，这就大大减小了读取数据的误差，也使得实验中测量Hg的第一激发电位较为准确。

所以我觉得在实验开始时调整好实验仪器，也是一件非常重要的事。

2.在实验过程中，一定要定下心来。

实验中读取数据有的时候是一件很枯燥单调的事，当需要读取的数据很多时，容易变得浮躁，使得会出现读取错误的情况。

这就需要我们能够冷静自我，一心一意地去做自己要做的事，把需要实验的步骤做好。

这很重要。