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摘 要

在大学物理实验中，我们通过弗兰克—赫兹实验以来印证原子存在能级。而实验中我们发现弗兰克赫兹管内参数的改变会对实验结果产生影响。

借助全数字调控的弗兰克—赫兹实验仪，我们对大学物理实验中的弗兰克—赫兹实验进行探究，通过控制变量法对影响弗兰克赫兹实验的灯丝电压U_F，第一栅极电压U_G1K，拒斥电压U_GAK三个参数的进行测量及分析，从而探究这台全数字调控的弗兰克—赫兹实验仪的最佳实验条件，同时根据实验数据计算出氩原子的第一激发电位。整个毕业设计通过弗兰克-赫兹管各项参数的变化对实验影响的探究，加深了自己对大学物理实验的认识与学习，同时加强了实验操作，增加了基础知识的积累。

关键词：弗兰克赫兹实验 第一激发电位 灯丝电压 第一栅极电位 拒斥电压

ABSTRACT

In the experiments of college physics, we have proved the existence level of atom by Frank-Hertz experiment. In the experiment, we find that the experimental results will be different when changing the parameters of the Frank-Hertz tube.

With the help of the new digital Frank-Hertz experiment instrument, we studied the Frank-Hertz experiment. We explored the three parameters: the filament voltage of U_F, the first gate voltage of U_G1K and the rejection voltage U_GAK by controlling variables. For the purpose that to find the optimum experimental conditions of full-digital Frank-Hertz experimental instrument. At the same time, according to the experimental data to calculate the first excitation potential of the argon atom. It deepened our understanding of college physics experiment by studying the effects of the experiment when changing the parameters of Frank-Hertz tube. Meanwhile, it strengthened the operation skills for the experiment and increased the accumulation of elementary knowledge.

Key words: Frank Hertz experiment; first excitation potential; first gate potential, repulsion voltage

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

第二章 背景 2

第三章 实验探究 4

3.1实验原理 4

3.2实验方案设计 6

第四章 实验过程及数据处理 7

4.1灯丝电压U_F对I_A-U_G2K曲线的影响 7

4.2第一栅极电压U_G1k对I_A-U_G2K曲线的影响 12

4.3拒斥电压U_G2A对I_A-U_G2K曲线的影响 19

4.4氩原子第一激发电位 25

第五章 实验总结 28

5.1、弗兰克—赫兹管参数的影响 28

5.2弗兰克-赫兹实验思想 28

5.3实验结论 29

参考文献 30

致谢 31

第一章 绪论

弗兰克—赫兹实验到现在为止仍是探索原子结构的重要实验方法之一。对弗兰克—赫兹实验来说，影响实验结果的参数较为复杂。在弗兰克—赫兹管中，阴极发射的热电子与管内的氩原子相遇时会发生碰撞，如果加速电压比较小的话（低于第一激发电压），就可以把电子和原子的碰撞看作是弹性碰撞，热电子本身的能量损失就比较小。但是如果加速电压超过氩原子的激发电压时，此时电子和氩原子之间就会发生非弹性碰撞，此时热电子将一定量的动能传递给氩原子，促使氩原子跃迁到激发态，而且热电子经过该过程之后剩下的能量也比较小，不能克服弗兰克—赫兹管内的拒斥电压，这就造成了板极电流在一定程度上下降。由于原子内部能量是量子化的，因此板极的电流会随加速电压增加而规律性的起伏变化见文献[3]。我们通过控制变量法对实验各个参数进行了分析，计算得到氩原子第一激发电位以及弗兰克—赫兹管内灯丝电压、第一栅极电压和拒斥电压的变化对弗兰克—赫兹实验的影响。在实验过程中我们分别保持管内其中两个参量不变，使另外一个参量发生变化，利用我们小组的全数字调控的弗兰克—赫兹实验仪，最终确定了弗兰克—赫兹管各项参数变化对实验的影响。

第二章 背景

在大学的单片机课程结束之后，由于自己本身对单片机比较感兴趣，于是在和老师沟通后，和班级里的同学组成了一个以单片机为控制核心,借助其他元件来实现弗兰克-赫兹实验仪的全数字调控的研究小组。在我们前期的研究工作中，我们发现市面上的传统智能弗兰克赫兹实验仪虽然已经做到了使用简单的单片机组合半智能化，数据采集，而且传统智能实验操作相对而言比较简单直观。然而，经过们团队的分析讨论，传统的弗兰克赫兹实验仪仍然存在一些不足需要我们改进。

1，维护成本较高，后期需要大量人力物力更换零件：传统的智能型弗兰克赫兹仪器采用按键调节各参量，内部为电位器，经过长时间使用容易造成较严重的机械磨损，触点容易损坏。

2，传统实验仪器零件设备按键多，操作步骤麻烦，并且没有预热提示，学生在使用过程中长时间操作电位器使其容易损坏，使实验仪器的准确性下降。

3，实验容错率低，容易出实验事故损坏实验仪器。现在使用中的仪器没有自检功能，当出现接线错误时没有警报功能，也不能让实验人员及时切断电路。

4，传统的智能型弗兰克赫兹仪器不够人性化，操作麻烦，如果要观察到完整的实验现象绘图，需要记录的数据有几百个。单纯的记录数据浪费时间而且会容易造成错误。

特别是在记录数据时第二栅极电压的改变间隔需要均匀而细致，如果间隔不足够小很容易错过图像的最高点，如果使用全智能型弗兰克赫兹实验仪我们可以尽量缩小电压改变间隔而做到最精确定位峰值。

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