精選夫蘭克-赫茲實驗補(bǔ)充實驗講義

1、精選夫蘭克-赫茲實驗補(bǔ)充實驗講義PAGE HENGLDIA 恒立達(dá)PAGE 1PAGE 13補(bǔ)充實驗講義： 夫蘭克-赫茲實驗實驗?zāi)康牧私獠柕脑幽Ｐ屠碚?。用實驗的方法測定氬原子的第一激發(fā)電勢，從而證明原子能級的存在。實驗原理玻爾提出的原子理論指出：(1)原子只能較長地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)(簡稱為能級)。原子處在這些能級時，不發(fā)射或吸收能量；原子在各能級時有確定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的能量不管通過什么方式發(fā)生改變，它只能從一個能級躍遷到另一個能級。(2)原子從一個能級躍遷到另一個能級而發(fā)射或吸收輻射時，輻射頻率是一定的。如果用Em和En代表有關(guān)兩能級的能量的話，輻射的頻率由如下關(guān)系確定

2、： h= Em-En (1)(1)式中h為普朗克常數(shù),其公認(rèn)值為：h=6.6310-34JS為了使原子從低能級向高能級躍遷，可以通過讓具有一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換的方法來實現(xiàn)。設(shè)初速度為零的電子在電勢差為U。的加速電場作用下，獲得能量eU。當(dāng)具有這種能量的電子與稀薄氣體的原子發(fā)生碰撞時，就會發(fā)生能量交換。如以E1代表氣體原子的基態(tài)能量、E2代表原子的第一激發(fā)態(tài)能量，那么當(dāng)該氣體原子接受從電子傳遞來的能量恰好為 eU0=E2-E1 (2)時，氣體原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。而相應(yīng)的電勢差U0稱為該氣體元素的第一激發(fā)電勢(或稱中肯電勢)。測定出這個電勢差U0，就可以根據(jù)式(2)求

3、出基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差了。夫蘭克赫茲管的構(gòu)造原理如圖1所示。在夫蘭克赫茲管中充待測氣體，燈絲電源Vf給燈絲和陰極K加熱，電子由熱陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加正電壓，其作是消除電子在陰極附近的堆積效應(yīng)，起到控制電子流大小的作用。第二柵極的加速電壓使電子加速，在陽極P和柵極G之間加有反向拒斥電壓。管內(nèi)空間電勢分布如圖2所示。當(dāng)電子通過空間進(jìn)入空間時，如果有較大的能量(eVPG2)，就能沖過反向拒斥電場而到達(dá)陽極形成陽極電流IP，為微電流計檢出。如果電子在空間與待測氣體原子碰撞，把自己一局部能量給了待測氣體原子而使后者激發(fā)的話，電子本身所剩余的能量就很小，以至通過第二柵極后已缺乏

4、以克服拒斥電場而被折回到第二柵極。這時，通過電流計的電流就將顯著減小。實驗時，使間的電壓VG2逐漸增加并仔細(xì)觀察電流計的電流指示。如果原子能級確實存在，而且基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間有確定的能量差的話，就能觀察到如圖3所示的IPVG2的曲線。圖3所示的曲線反映了在空間電子與氣體原子進(jìn)行能量交換的情況。當(dāng)空間電壓逐漸增加時，電子在空間被加速而取得越來越大的能量。但起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，即使在運動過程中它與原子相碰撞也只有微小的能量交換(為彈性碰撞)。穿過柵極的電子所形成的板流將隨柵極電壓VG2的增加而增大。當(dāng)電子的能量到達(dá)待測氣體原子的第一激發(fā)電勢U0時，電子在空間與氣體原子相碰撞，

5、將自己從加速電場中獲得的全部能量交給后者，并且使后者從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)。而電子本身由于把絕大局部能量交出，即使穿過了柵極也不能克服反向拒斥電場而被折回柵極(被篩選掉)。所以陽極電流將顯著減小。如果第二柵極電壓繼續(xù)增加，電子的能量又隨之增加，在與氣體原子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場而到達(dá)陽極P，這時電流又開始上升。直到電子的能量到達(dá)二倍于氣體原子的第一激發(fā)態(tài)能量時，電子在間又會因二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次陽極電流的下降。因此凡在柵極電壓 VG2 = nU0+E (n=1,2,3) (3)的地方陽極電流IP都會相應(yīng)下跌，形成規(guī)那么起伏變化的VG2曲線。式(3)中的

6、E為與金屬電子逸出功有關(guān)的某一常量。而各次陽極電流開始下降時所對應(yīng)的陰柵極電壓VG2之差應(yīng)該是該氣體原子的第一激發(fā)電勢U0。 本實驗就是要通過實際測量來證實原子能級的存在，并測定出待測氣體原子的第一激發(fā)電勢U0。 如果夫蘭克赫茲管中充以不同的氣體元素，那么各元素的第一激發(fā)電勢如(表1)所示：表1 幾種元素的第一激發(fā)電勢元 素鈉(Na)鉀(K)鋰(Li)鎂(Mg)汞Hg氦(He)氖(Ne)氬(Ar)U0/V2.121.631.842.714.921.216.811.8 實驗儀器及其簡介夫蘭克-赫茲實驗儀該儀器采用充氬氣的四極管做成的夫蘭克-赫茲管。儀器面板結(jié)構(gòu)如圖5所示：面板結(jié)構(gòu)圖說明：夫蘭克-

7、赫茲管陽極電流IP指示，電流單位nA；電流表量程轉(zhuǎn)換，有20nA、200nA、2KnA三檔電流的量程可選擇；電壓指示，可與右邊的電壓測量選擇開關(guān)配合使用，以分別顯示VG2、VP、Vf各檔電壓；電壓測量選擇開關(guān)；電源開關(guān)；電壓增減調(diào)節(jié)按鍵；自動掃描時的“快速和“慢速轉(zhuǎn)換；“手動、“自動選擇開關(guān)；陽極電流IP信號輸出插口，信號幅度為0-2V，用示波器觀察時接示波器“Y插口；第二柵極電壓VG2信號輸出插口，信號幅度為02V，用示波器觀察時接示波器“X插口。微機(jī)串行口COM輸出接口在儀器反面，圖中沒有反映出來。實驗步驟 1在用微機(jī)進(jìn)行實驗前，要先把微機(jī)夫蘭克赫茲實驗背后的COM接口與電腦連接好，并按夫

8、蘭克赫茲實驗儀機(jī)箱上的參考電壓值把夫蘭克赫茲管的各電極電壓調(diào)到適宜位置。具體方法是：翻開電源，預(yù)熱數(shù)分鐘后，先把“掃描選擇撥到“自動、“慢速，然后依次分別把“電壓測量選擇開關(guān) 4撥到“Vf、“VG1”和“Vp位置，再按一下儀器面板上的“+/“-按鍵，把相應(yīng)的電壓調(diào)到預(yù)定的參考值附近，再按一下“+/“-按鍵讓電壓變化停下來，再把“掃描選擇撥到“手動，按動“+/“-按鍵對電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。注意，當(dāng)某一個電壓指示燈亮起來時，此時按下的“+、“-鍵僅是對這個電壓進(jìn)行調(diào)整，與其它的電壓無關(guān)。翻開電腦運行軟件，選擇好COM通信接口。2以上步驟完成后，再通過按鍵“-使VG2降到最低值，即可開始測量IpVG2

9、關(guān)系了。(記錄此關(guān)系數(shù)據(jù)并作Ip VG2關(guān)系圖。)上述步驟完成后，再把“電壓測量選擇開關(guān)撥到“VG2，點擊電腦屏幕界面上的“開始按鈕，計算機(jī)接口就開始采集Ip VG2的數(shù)據(jù)，在計算機(jī)的屏幕上 “記錄點數(shù)欄 就會出現(xiàn)不斷變化的數(shù)字，此時可有兩種方式描繪夫蘭克-赫茲管的Ip VG2曲線：自動方式：把“掃描選擇撥到“自動，然后按一下“+按鍵，那么計算機(jī)屏幕上就會自動顯現(xiàn)出不斷延伸的夫蘭克-赫茲管的Ip VG2曲線。在此期間，只要再按一下“+按鍵，那么曲線就會暫停變化，再次按一下“+鍵，Ip VG2曲線又會繼續(xù)向前延伸描繪。曲線延伸的速度可用“快速和“慢速來轉(zhuǎn)換，一般推薦選擇“慢速較好，這樣描繪出的曲

10、線比較細(xì)膩，假設(shè)采用“快速那么描繪的曲線比較稀疏。手動方式：該方式僅用于電壓微調(diào)，把“掃描選擇撥到“手動，按一下“+/“-按鍵，可使相關(guān)電壓改變一步。待測量的曲線完成后，用鼠標(biāo)點擊屏幕上的“停止按鈕，就可停止數(shù)據(jù)采集。3讀出Ip VG2曲線上點的坐標(biāo)用鼠標(biāo)點擊曲線上的點的位置，那么在屏幕右上角的顯示窗口里就可顯示出該點的VG2Ip坐標(biāo)。按下“確定按鈕，就可在屏幕的下方表格中把該點的坐標(biāo)記錄下來。為了使鼠標(biāo)精確點擊曲線上的某個位置，可以點擊選中屏幕上的“放大或“縮小按鍵，再把鼠標(biāo)移到曲線上的這個位置附近，分別按下鼠標(biāo)的左、右鍵，就可使曲線在橫向或縱向放大或“縮小。當(dāng)曲線放大或縮小到適宜的程度，再

11、點擊選中屏幕上的“移動按鍵，按住鼠標(biāo)就可以任意拖動曲線，再用鼠標(biāo)點擊經(jīng)放大后的曲線上的點，就可精確測出該點的坐標(biāo)。記錄下曲線上各有關(guān)點的坐標(biāo)值后，按一下“保存按鈕，就可在電腦上自動生成Word 文檔的實驗結(jié)果報告，據(jù)此還可進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。實驗數(shù)據(jù)處理 1氣體原子第一激發(fā)電勢測量結(jié)果： 第一激發(fā)電勢測量 測試條件：Vf= V；VG1= V；Vp = V; 序號12345678被測量峰值谷值峰值谷值峰值谷值峰值谷值峰值谷值峰值谷值峰值谷值峰值谷值VG2/VIp/nA其它補(bǔ)充點的測量數(shù)據(jù)：VG2/VIp/nA根據(jù)上面表格中的測量數(shù)據(jù)，用描點作圖法畫出Ip - VG2的曲線；用逐差法計算待測氣體

12、的第一激發(fā)電勢:峰值電壓的平均間距：峰= V谷值電壓的平均間距：谷= V測量結(jié)果：氣體原子的第一激發(fā)電勢 V 根據(jù)表1，該待測氣體元素為： 注意與說明在調(diào)節(jié)第二柵極電壓和時注意和過大會導(dǎo)致電子管電離擊穿損壞，雖然線路中加保護(hù)措施但是電離擊穿對陰極具有極大的破壞性。所以一旦發(fā)現(xiàn)陽極電流Ip的負(fù)值或正值超過200 nA應(yīng)迅速將和降下來。在增加燈絲電壓時，陽極電流值不能立即到達(dá)某一穩(wěn)定值，所以要非常緩慢的增加，一般需23分鐘后電流才能逐步到達(dá)穩(wěn)定值。儀器面板上的只是個參考值，一般隨季節(jié)和環(huán)境溫度的不同電壓都須作一些適當(dāng)調(diào)整，具體標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)?shù)诙艠O電壓調(diào)到51V左右時，調(diào)整23分鐘后使電流到達(dá)3040nA，那么這時的為最正確值。4假設(shè)點擊電腦屏幕界面上的“開始按鈕后，屏幕上“記錄點數(shù)的數(shù)字不變化，那么須檢查計算機(jī)接口的COM信號傳輸