試驗名稱：弗蘭克-赫茲試驗試驗目的：用試驗的措施測定汞或氬原子的第一激發電位，從而證明原子分立態的存在；練習使用微機控制的試驗數據采集系統。試驗原理：根據波爾的原子模型理論，原子中一定軌道上的電子具有一定的能量。當原子吸取或放出電磁輻射時或當原子與其他粒子發生碰撞時，原子狀態會發生變化。變化過程中原子的能量變化不是任意的，而是受到波爾理論的兩個基本假設的制約，即定態假設和頻率定則。由波爾理論可知，處在基態的原子發生狀態變化時，其所需能量不能不不小于該原子從基態躍遷到第一受激態時所需的能量，這個能量稱作臨界能量。當電子與原子碰撞時，假如電子能量不不小于臨界能量，則發生彈性碰撞；若電子能量不小于臨界能量，則發生非彈性碰撞。這時，電子予以原子以臨界能量，剩余能量仍由電子保留。本儀器采用1只充氬氣的四極管，其工作原理圖如下：當燈絲（H）點燃後，陰極（K）被加熱，陰極上的氧化層即有電子逾出（發射電子），為消除空間電荷對陰極散射電子的影響，要在第一柵極（G1）、陰極之間加上一電壓UG1K（一柵、陰電壓）。假如此時在第二柵極（G2）、陰極間也加上一電壓UG2K（二柵、陰電壓），發射的電子在電場的作用下將被加速而獲得越來越大的能量。起始階段，由于較低，電子的能量較小，雖然在運動過程中與電子相碰撞（為彈性碰撞）只有微小的能量互換。這樣，穿過2柵的電子抵達陽極（A）[也慣稱板極]所形成的電流（IA）板流（習慣叫法，即陽極電流）將隨2柵的電壓UG2K的增長而增大，當UG2K到達氬原子的第一激發電位（11.8V）時，電子在2柵附近與氬原子相碰撞（此時產生非彈性碰撞）。電子把加速電場獲得的所有能量傳遞給了氬原子，使氬原子從基態激發到第一激發態，而電子自身由于把所有能量傳遞給了氬原子，它雖然穿過2柵極，也不能克服反向拒斥電場而被折回2柵極。因此板極電流IA將明顯減小，後來伴隨二柵電壓UG2K的增長，電子的能量也伴隨增長，與氬原子相碰撞後還留下足夠的能量。這又可以克服拒斥電場的作用力而抵達陽極，這時IA又開始上升，直到UG2K是2倍氬原子的第一激發電位時，電子在G2和K之間又會由于第2次非彈性碰撞而失去能量，因而又導致第2次IA的下降，這種能量轉移伴隨UG2K增長而IA周期性變化，若以UG2K為橫坐標，以IA為縱坐標就可以得到一譜峰曲線，譜峰曲線兩相鄰峰尖（或谷點）間的UG2K電壓差值，即為氬原子的第一激發電位值。從這個試驗闡明了夫蘭克-赫茲管內的緩慢電子與氬原子相碰撞，使原子從低能級激發到高能級，并通過測量氬原子的激發電位值，闡明了玻爾——原子能級的存在。重要的試驗儀器及試驗環節：儀器面板簡介：前面板背面板試驗環節：1、插上電源，撥動電源開關。2、將手動-自動檔切換開關置于“手動”，微電流倍增開關置于10-9檔。3、先將燈絲電壓VH、控制柵電壓VG1K（陰極到第一柵極電壓UG1K）、拒斥電壓VG2A（陽極到第二柵極電壓UG2A）緩慢調整到儀器機箱上所貼的“出廠檢查參照參數”。預熱10分鐘，此過程中也許各參數會有小的波動，請微調各旋鈕到初設值。4、旋轉UG2K調整旋鈕，測定曲線。使柵極電壓逐漸增長，每增長0.5v或者1v，記錄對應的電壓、電流值，伴隨UG2K（加速電壓）的增長，陽極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）所對應的電壓，在峰值和谷值前後附近最佳多測幾點，以便找到精確的峰值。以陽極電流為縱坐標第二柵電壓為橫坐標，作出譜峰曲線。測量時電流需要時間去穩定，這是由于電流值很小，是正常現象，變化電壓一定要緩慢，否則電流穩定期間將變長。5、根據所取數據點，列表作圖，并讀取相鄰電流峰值對應的電壓，用逐差法計算出氬原子第一激發電位的平均值。6、在試驗完畢後，請勿長時間將UG2K置于最大值，應將其按逆時鐘方向旋轉至最小值。數據處理：氬原子第一激發電位Ug的測量試驗數據記錄a.試驗條件燈絲電壓Uf=2V，拒斥場電壓UR=7.5V，控制柵電壓UG=2.1V。b.試驗數據峰序號i123456峰值電壓Ui/V16.8527.9539.4451.0263.5576.46（2）逐差法處理數據數據序號i123(Ui+3-Ui)/V34.1735.6037.02求平均值：3求不確定度：S∵n=3∴∵∴∴3最小二乘法處理數據：擬合公式為U=11.898i+4.2353b=A=∴∴2.氬原子受激後回到基態輻射出的光波波長λ的計算由1中計算可知，氬原子第一激發態電位Ug=11.90V（線性擬合成果），代入式hν=eUg及c=λν得：λ=3.對第一、第二峰位圖的分析：第一峰位：16.85V峰位/V16.316.516.716.917.117.317.5電流/μA14.214.515.11614.714.514.3第二峰位：27.95V峰位/V27.427.627.82828.228.428.6電流/μA22.923.123.924.524.724.824.7分析：對于實際的F—H管，其陰極與柵極采用不一樣的金屬材料制成，它們的逸出功不一樣，因此會產生接觸電位差。接觸電位差的存在，使真正加在電子上的加速電壓不等于Ua，而是Ua與接觸電位差的代數和，因此接觸電位的存在將會使得整個Ip-Ua曲線左右平移，因此，第一種峰位對應的電壓值并等于Ug。4.通過手動定量測量分析Uf、UG、UR對板極電流Ip的影響試驗中記錄的數據如下表所示：組號Uf/VUR/VUG/V峰點1峰點2峰點3峰點4Ua/VIpUa/VIpUa/VIpUa/VIp12.010.02.218.310.029.319.140.926.552.931.121.910.02.218.76.529.412.040.816.252.718.931.810.02.218.53.329.65.041.06.353.27.141.89.02.218.33.828.45.940.67.151.88.051.88.02.217.94.327.76.340.08.051.58.961.88.01.818.33.028.46.240.48.552.59.271.88.01.418.41.028.63.140.86.052.28.3運用控制變量法分析上表中的數據：Uf對板極電流Ip的影響比較1、2、3組數據可知，燈絲電壓Uf增大，板極電流Ip也增大。分析：增大燈絲電壓Uf，則燈絲溫度升高，單位時間內產生的電子數增多，通過與氬原子碰撞等一系列互相的作用後，抵達板極P的電子數增多，產生的板極電流Ip增大。UG對板極電流Ip的影響比較5、6、7組數據可知，控制柵電壓UG增大，板極電流Ip先增大後減小。分析：a.控制柵電壓UG的重要作用是消除電子在陰極附近的堆積效應，控制陰極發射的電子流的大小，防止陰極產生的電子發生散射，無法抵達板極P。b.增大控制柵電壓UG，能有效減小電子在陰極附近的堆積，增大抵達板極P的電子數目，從而導致板極電流Ip增大。c.當控制柵電壓UG過大時，將會使進入碰撞空間的電子流變小，抵達板極P的電子數減少，板極電流Ip減小。d.比較2、3組數據可知，板極電流Ip的增長值并不大，也許是由于此時的加速電壓Ua已經靠近使Ip到達最大值的電壓值了。UR對板極電流Ip的影響比較3、4、5組數據可知，拒斥場電壓UR增大，板極電流Ip減小。分析：增大拒斥場電壓UR的值，將會使得電子穿越G2P需要更大的能量，因此對抵達第二柵極G2的電子的能量規定的更高了，因此，在其他條件相似的狀況下，滿足這一規定的電子數目將會減少，從而抵達板極P的電子數目減少，板極電流Ip減小。討論：1.試驗時要若要得出比較理想的圖像，應將Uf合適調大以得到理想的圖像。若Ip超過量程也不應驚恐，這只是短暫的，不會對儀器導致太大的損壞，且IP過小則無法得到理想的圖像