FDFH夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀說(shuō)明書

1、FD-FH-夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀說(shuō)明書上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司中國(guó) 上海FD-FH-型 夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀產(chǎn)品說(shuō)明書一、儀器簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)儀是用于重現(xiàn)1914年夫蘭克和赫茲進(jìn)行的低能電子轟擊原子的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)充分證明原子內(nèi)部能量是量子化的。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立原子內(nèi)部能量量子化的概念，并學(xué)習(xí)夫蘭克和赫茲研究電子和原子碰撞的實(shí)驗(yàn)思想和方法。本實(shí)驗(yàn)儀為一體式實(shí)驗(yàn)儀，設(shè)計(jì)緊湊，面板直觀，功能齊全，操作方便。供給夫蘭克赫茲管用的各組電源電壓穩(wěn)定，測(cè)量微電流用的放大器有很好的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)儀能夠獲得穩(wěn)定優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)曲線。本實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)方法多樣，除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)外還可和示波器，X-Y記錄儀，及微機(jī)連用。本實(shí)驗(yàn)儀適用于大專

2、院校開設(shè)近代物理實(shí)驗(yàn)和普通物理實(shí)驗(yàn)，也可以作為原子能量量子化教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)。二、儀器性能和面板功能1、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)管（簡(jiǎn)稱F-H管）F-H管為實(shí)驗(yàn)儀的核心部件，F(xiàn)-H管由傍熱式陰極、雙柵極和板極共四個(gè)極組成，各電極均為圓筒狀。這種F-H管內(nèi)充氬氣，玻璃封裝。F-H管各電極與其他部件的連接方法示意圖如下：2、F-H管用電源組 提供F-H管各電極所需的工作電源電壓和性能如下： a燈絲電源電壓， 直流 1.35V，連續(xù)可調(diào)； b柵極陰極間電源電壓，直流，06V，連續(xù)可調(diào)； c柵極陰極間電壓電源，直流，090V，連續(xù)可調(diào)；3、掃描電源和微電流放大器掃描電源提供可調(diào)直流電壓或輸出鋸齒波電壓作為F-H管

3、電子加速電壓。直流電壓供手動(dòng)測(cè)量，鋸齒波電壓供示波器顯示，X-Y記錄儀和微機(jī)用。微電流放大器用來(lái)檢測(cè)F-H管的板流。性能如下： a具有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”兩種掃描方式：“手動(dòng)”輸出直流電壓，090V，連續(xù)可調(diào)；“自動(dòng)”輸出090V鋸齒波電壓，掃描上限可以設(shè)定。 b掃描速率分“快速”和“慢速”兩檔：“快速”是周期約為20次/秒的鋸齒波，供示波器和微機(jī)用；“慢速”是周期約為0.5次/秒的鋸齒波，供X-Y記錄儀用。c微電流放大器測(cè)量范圍有，A四檔。4、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)值和除分別用三位半數(shù)字表頭直接顯示外，另設(shè)端口提供示波器，X-Y記錄儀，及微機(jī)記錄或者顯示曲線的各種信息。5、面板及功能1.顯示表頭（表頭

4、示值2）指示擋后為實(shí)際值）；2.微電流放大器量程選擇開關(guān)，分、四檔；3.數(shù)字電壓表頭（與8）相關(guān)，可以分別顯示、值，其中值為數(shù)字式表頭示值×10V；4.電壓調(diào)節(jié)旋鈕；5.電壓調(diào)節(jié)旋鈕；6.電壓調(diào)節(jié)旋鈕；7.電壓調(diào)節(jié)旋鈕；8.電壓示值選擇開關(guān)，可以分別選擇、；9.輸出端口，接示波器Y端，X-Y記錄儀Y端或者微機(jī)接口的電流輸入端；10.掃描速率選擇開關(guān)，“快速”檔供接示波器觀察曲線或微機(jī)用，“慢速”檔供X-Y記錄儀用；11.掃描方式選擇開關(guān)，“自動(dòng)”檔供示波器，X-Y記錄儀或微機(jī)用，“手動(dòng)”檔供手測(cè)記錄數(shù)據(jù)使用；12.輸出端口，接示波器X端， X-Y記錄儀X端，或微機(jī)接口電壓輸入用；13

5、.電源開關(guān)。三、儀器使用說(shuō)明1、示波器演示法a連好主機(jī)的后面板電源線，用Q9線將主機(jī)正面板上 “輸出”與示波器上的“X相”（供外觸發(fā)使用）相連，“輸出”與示波器“Y相”相連； b將掃描開關(guān)置于“自動(dòng)”檔，掃描速度開關(guān)置于“快速”檔，微電流放大器量程選擇開關(guān)置于“”；c分別將示波器“”、“”電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至“”和“”，“”調(diào)至“”，“”全部打到“”；d分別開啟主機(jī)和示波器電源開關(guān)，稍等片刻；e分別調(diào)節(jié)、電壓（可以先參考給出值）至合適值，將由小慢慢調(diào)大（以F-H管不擊穿為界），直至示波器上呈現(xiàn)充氬管穩(wěn)定的曲線；2、手動(dòng)測(cè)量法a調(diào)節(jié)至最小，掃描開關(guān)置于“手動(dòng)”檔，打開主機(jī)電源；b選取合適的實(shí)驗(yàn)條件，

6、置、于適當(dāng)值，用手動(dòng)方式逐漸增大，同時(shí)觀察變化。適當(dāng)調(diào)整預(yù)置、值，使由小到大能夠出現(xiàn)5個(gè)以上峰。c選取合適實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，分別從數(shù)字式表頭上讀取和值，再作圖可得曲線，注意示值和實(shí)際值關(guān)系。例：表頭示值為“”，電流量程選擇“”檔，則實(shí)際測(cè)量電流值應(yīng)該為“”；表頭示值為“”，實(shí)際值為“”。四、注意事項(xiàng)1、儀器應(yīng)該檢查無(wú)誤后才能接電源，開關(guān)電源前應(yīng)先將各電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最小值位置。2、燈絲電壓不宜放得過(guò)大，一般在2V左右，如電流偏小再適當(dāng)增加。3、要防止F-H管擊穿（電流急劇增大），如發(fā)生擊穿應(yīng)立即調(diào)低 以免F-H管受損。4、F-H管為玻璃制品不耐沖擊應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。5、實(shí)驗(yàn)完畢，應(yīng)將各電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最小

7、值位置。五、儀器配置主機(jī)（包括F-H管，掃描電源，微電流放大器等） 1臺(tái)示波器 1臺(tái)（選配）微機(jī)接口 1臺(tái)（選配）電源線 1根Q9線 1根使用說(shuō)明書 1份FD-FH-型 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一、概述1900年是量子論的誕生之年，它標(biāo)志著物理學(xué)由經(jīng)典物理邁向近代物理。量子論的基本觀念是能量的不連續(xù)性，即能量是量子化的。1914年夫蘭克（F.Frank）和赫茲（G.Hertz）在研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子與原子間相互作用時(shí)，在充汞的放電管中發(fā)現(xiàn)：透過(guò)汞蒸氣的電子流隨電子能量的變化有規(guī)律，呈現(xiàn)周期性變化，間隔為4.9eV，并拍攝到與能量4.9eV相對(duì)應(yīng)的光譜線253.7nm。對(duì)此，他們提出了

8、原子中存在“臨界電勢(shì)”的概念：當(dāng)電子能量低于與臨界電勢(shì)相應(yīng)的臨界能量時(shí)，電子與原子的碰撞是彈性的，而當(dāng)電子能量達(dá)到這一臨界能量時(shí)，碰撞過(guò)程由彈性變?yōu)榉菑椥?，電子把這份特定的能量轉(zhuǎn)移給原子使之受激，原子退激時(shí)再以特定頻率的光量子形式輻射出來(lái)，電子損失的能量E與光量子能量及光子頻率的關(guān)系為：。夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)用非光學(xué)方法證實(shí)了原子內(nèi)部能量是量子化的，為波爾于1913年發(fā)表的原子理論提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。是量子論是一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。1920年夫蘭克及其合作者對(duì)原先實(shí)驗(yàn)裝置做了改進(jìn)，提高了分辨率，測(cè)得了汞的除4.9eV以外的較高激發(fā)能級(jí)和電離能級(jí)，進(jìn)一步證實(shí)了原子內(nèi)部能量是量子化的。1925年夫蘭克和赫茲共

9、同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)可以了解到原子內(nèi)部能量量子化的情況，學(xué)習(xí)和體驗(yàn)夫蘭克和赫茲研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子和原子間相互作用的實(shí)驗(yàn)思想和方法。二、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)玻爾理論原子只能處在某一些狀態(tài)，每一狀態(tài)對(duì)應(yīng)一定的能量，其數(shù)值彼此是分立的，原子在能級(jí)間進(jìn)行躍遷時(shí)吸收或發(fā)射確定頻率的光子，當(dāng)原子與一定能量的電子發(fā)生碰撞可以使原子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)（激發(fā)）。如果是基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的躍遷則有：電子在電場(chǎng)中獲得的動(dòng)能在和原子碰撞時(shí)交給原子，原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，V1稱為原子第一激發(fā)電勢(shì)（位）。進(jìn)行F-H實(shí)驗(yàn)通常使用的碰撞管是充汞的，充汞管需要配加熱爐用于改變汞的蒸氣壓。除用充汞的外，還

10、常用充惰性氣體的，如充氖，氬等的碰撞管。而這些碰撞管，溫度對(duì)于氣壓影響不大，并且只需在常溫下就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)于四級(jí)式充氬F-H碰撞管，實(shí)驗(yàn)線路連接如圖1所示。為燈絲加熱電壓，為正向小電壓，為加速電壓,為減速電壓。F-H管中的電位分布如圖2所示。電子由陰極發(fā)出，經(jīng)電場(chǎng)加速趨向陽(yáng)極，只要電子能量達(dá)到能克服減速電場(chǎng)就能穿過(guò)柵極到達(dá)板極形成電流，由于管中充有氣體原子，電子前進(jìn)的途中要與原子發(fā)生碰撞。如果電子能量小于第一激發(fā)能，它們之間的碰撞是彈性的，根據(jù)彈性碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量和動(dòng)能守恒原理不難推得電子損失的能量極小，電子能如期的到達(dá)陽(yáng)極。如果電子能量達(dá)到或超過(guò)，電子與原子將發(fā)生非彈性碰撞，電子把能量傳

11、給氣體原子，要是非彈性碰撞發(fā)生在附近，損失了能量的電子將無(wú)法克服減速場(chǎng)到達(dá)極板。這樣，從陰極發(fā)出的電子隨著從零開始增加，極板上將有電流出現(xiàn)并增加，如果加速到柵極的電子獲得等于或大于的能量，將出現(xiàn)非彈性碰撞而出現(xiàn)的第一次下降，隨著的增加，電子與原子發(fā)生非彈性碰撞的區(qū)域向陰極移動(dòng)，經(jīng)碰撞損失能量的電子在趨向陽(yáng)極的途中又得到加速，又開始有足夠的能量克服減速電壓而到達(dá)陽(yáng)極，隨著增機(jī)又開始增加，而如果的增加使那些經(jīng)歷過(guò)非彈性碰撞的電子能量又達(dá)到則電子又將與原子發(fā)生非彈性碰撞造成的又一次下降。在較高的情況下，電子在趨向陽(yáng)極的路途中會(huì)與電子發(fā)生多次非彈性碰撞。每當(dāng)造成的最后一次非彈性碰撞區(qū)落在柵極附近就會(huì)使

12、曲線出現(xiàn)下降，隨變大出現(xiàn)如此反復(fù)下跌將出現(xiàn)如附錄中測(cè)量所示的曲線。曲線的極大和極小出現(xiàn)明顯的規(guī)律性，它是能級(jí)量子化能量反復(fù)被吸收的結(jié)果，也是原子能級(jí)量子化的充分體現(xiàn)。就其規(guī)律來(lái)說(shuō)，每相鄰極大或極小值之間的電位差為第一激發(fā)電勢(shì)（電位）。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)測(cè)定夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)管的曲線，觀察原子能量量子化情況，并由此求出充氬（Ar）管中原子的第一激發(fā)電位。1 連接實(shí)驗(yàn)儀器，選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件，如2V，1V，8V ，用手動(dòng)方式改變同時(shí)觀察微電流計(jì)上的隨的變化情況。如果增加時(shí)，電流迅速增加則表明F-H管產(chǎn)生擊穿，此時(shí)應(yīng)立即降低。如果希望有較大的擊穿電壓，可以用降低燈絲電壓來(lái)達(dá)到；2、適當(dāng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件使微電流

13、計(jì)能出現(xiàn)5個(gè)峰以上，波峰波谷明顯；3、選取合適的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，使之能完整真實(shí)的繪出曲線或用記錄儀記下曲線；4、處理曲線，求出氬的第一激發(fā)電位處理方法：a. 用曲線的峰或谷位置電位差求平均值；b. 用最小二乘法處理峰或谷位置電位i為峰或谷序數(shù)，為特征位置電位值，為擬合的第一激發(fā)電位（可參考附錄）。5、降低或增加燈絲電壓，觀察曲線的變化，記錄第一峰和最末峰的位置，與5比較，大概推斷燈絲電壓對(duì)曲線的影響。四、注意事項(xiàng)1、不同的實(shí)驗(yàn)條件，有不同的擊穿值，一旦擊穿發(fā)生，應(yīng)立即降低以免F-H管受損；2、燈絲電壓不宜放得過(guò)大，宜在左右。五、思考題1、考察其它實(shí)驗(yàn)條件對(duì)曲線的影響（曲線的形狀、擊穿電壓、峰谷

14、比、峰數(shù)等。2、考察周期變化與能級(jí)的關(guān)系，如果出現(xiàn)差異估計(jì)是什么原因？3、第一峰位位置電位為何與第一激發(fā)電位有誤差？六、參考文獻(xiàn)1、楊福家著，原子物理學(xué)（第二版），高等教育出版社，1990年2、戴樂(lè)山、戴道宣主編，近代物理實(shí)驗(yàn)，復(fù)旦大學(xué)出版社，1995年附錄：1.手繪或記錄儀可測(cè)得氬的曲線。a. 測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示：（）（）（）（）（）（）（）（）15.00.435.017.355.052.575.028.116.01.136.013.756.054.076.040.517.01.837.010.457.050.377.054.118.02.138.09.458.041.178.065.919

15、.02.439.013.659.028.279.073.920.03.140.019.860.014.980.078.221.04.641.026.461.08.481.076.922.05.542.032.562.014.282.071.223.06.043.035.963.025.783.059.524.06.344.037.364.039.284.044.425.06.145.035.665.051.585.029.226.05.946.030.566.060.086.022.627.07.147.023.167.066.687.028.228.09.748.014.968.068.488.039.629.013.249.08.869.064.989.052.430.016