原子定態(tài)能級的觀測實驗報告

-.z.實驗30原子定態(tài)能級的觀測實驗報告【背景資料】1914年，夫蘭克〔J.Franck〕和赫茲〔G.Hertz〕用慢電子和稀薄氣體原子碰撞的方法，成功地使原子從低能級激發(fā)到高能級；通過測量電子和原子碰撞時傳遞的能量值，得出了原子發(fā)生躍變時吸收和發(fā)射的能量是不連續(xù)的，而且是完全確定的結論。從而玻爾的量子能態(tài)的假設，被夫蘭克和赫茲作出了最直接的實驗驗證?！緦嶒災康摹?.通過汞原子第一激發(fā)電位的測量，了解弗蘭克和赫茲在研究原子內部能級問題時所采用的根本實驗方法。2.了解電子與原子碰撞和能量交換的微觀圖像和影響這個過程的主要物理因素?！緦嶒炑b備】弗蘭克-赫茲管弗蘭克-赫茲試驗WMZK型溫度指示控制儀Tektroni*TDS3012B數(shù)字熒光示波器Keithley2700數(shù)據(jù)采集/程控開關/數(shù)字多用表【實驗原理】原子從低能級向高能級躍遷，可以通過具有一定能量的電子與原子相碰撞進展能量交換來實現(xiàn)。設汞原子的基態(tài)能量為E，第一激發(fā)態(tài)的能量為E’，從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量就是E’－E。初速度為零的電子在電位差為U的加速電場作用下具有能量ｅU，假設ｅU小于E’－E，則電子與汞原子只能發(fā)生彈性碰撞，二者之間幾乎沒有能量轉移。當電子的能量ｅU≥E’－E時，電子與汞原子就會發(fā)生非彈性碰撞，汞原子將從電子的能量中吸收相當于Ｅ’－Ｅ的那一部份，使自己從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而多余的局部仍留給電子。原子定態(tài)能級的觀測實驗的原理如圖1所示，電子由熱陰極K發(fā)射，陰極K和棚極G之間的加速電壓VGK使電子加速，在陽極A與棚極G見加有反向拒斥電壓VAG，管內空間電位分布如圖2所示。當電子通過KG空間進入GA空間時，如果能量E≥eVAG，就能沖過反向電場而到達陽極A而形成陽極電流，由微電流計eq\o\ac(○,pA)檢出。如果電子在KG空間與汞原子碰撞，而使后者激發(fā)的話，則水銀蒸汽發(fā)出一條明線光譜，同時電子也有可圖1F-H實驗原理圖能剩余能量與缺乏以抑制反向電場而被折回到棚極，這時通過微電流計的電流將顯著減少。圖3所示的曲線就是測得的電子在KG空間與汞原子進展能量傳遞的情況。該曲線的明顯特征是：〔1〕隨VGA的增加，板流IA顯示出一系列極大值和極小值；〔2〕各極大值〔或極小值〕之間的間距為4.9V。【【實驗內容】F-H管的工作原理如圖4.F-H外形圖示與圖5，每個控制部件的作用為：前面板，包括：1.電源-電源開關接通時，指示燈亮。2.加速-手動調節(jié)加速電壓，采用多圈電位器，幅度為0~90V以上。3.VG2P-第二棚極與陽極之間的電壓，調節(jié)幅度為0~15V。4.VG1K-第一棚極與陰極之間的電壓，幅度為0~5V。5.VF-控制F-H管的燈絲電壓，幅度為1~6V。6.記錄儀-用于連接記錄儀*,Y輸入端。7.電流儀-微電流計各檔電流指示。8.量程-微電流計換檔開關，分四檔，10ˉ4~10ˉ7A。9.選擇-工作方式選擇開關。10.電壓-電壓指示換擋開關，可分別指示加在F-H管上的四個電壓。11.數(shù)字面板表-用于電壓指示。后面板，包括：1.Y-接示波器Y輸入。2.*-接示波器*輸入。3.計算機接口4.增益調節(jié)-用于調節(jié)計算機的F-H管電流信號幅度大小。5.增益調節(jié)0~15V-調節(jié)輸入到示波器*軸的電壓幅度。6.外接F-H管-用于連接外部的F-H管。【實驗步驟】使用方法接上WMZK溫度指示控制儀電源，翻開開關。調節(jié)溫度控制開關，定好目標溫度，加熱約半小時，控制儀紅燈亮，表示加熱完成。F-H試驗儀開機前將微電流計置于10ˉ7A檔，各檔電壓分別旋到最小值。接通電源，按照F-H管所提供的各級電壓參數(shù)設置電壓。先將電壓選擇開關置于VF，調節(jié)VF、VG1K、VG2P旋鈕，觀察指示的電壓到參考電壓的數(shù)值；然后將選擇開關置于VG1K位置；調節(jié)VG1K旋鈕；再將電壓開關置于VG2P位置，調節(jié)VG2P旋鈕。試驗儀提供了四種工作方式：手開工作方式：先把選擇開關到達"記錄儀〞位置，由試驗儀進展自動掃描，從電流表上觀察指針的偏轉情況，適當調節(jié)VF、VG1K、VG2P旋鈕，觀察各旋鈕對指針偏轉的影響，盡量使指針偏轉最大，找出實驗的最正確工作點。將選擇開關撥到"手動〞位置，電壓開關調到"加速〞位置，緩慢調節(jié)"加速〞多圈電位器，從電流表上可觀察到峰信號，用面板讀出峰信號所對應的電壓值，并逐點記錄數(shù)據(jù)，在坐標紙上繪出譜峰IA-VGK曲線。示波器工作方式:(參考實驗室提供的使用資料)計算機工作方式：(參考實驗室提供的使用資料)2．本卷須知〔1〕實驗儀前面板的記錄儀*輸入負端〔黑色接線柱〕不能與記錄儀Y輸入負端〔黑色接線柱〕連接，否則要損壞儀器。〔2〕使用前應先閱讀說明書中有關控制部件作用局部的說明，以幫助正確掌握儀器的使用范圍和操作方法。〔3〕燈絲電壓對F-H管的工作狀態(tài)影響最大，調節(jié)時以每次改變0.1V為宜。在測量過程中，當慢慢加大加速電壓時，電流表指針應出現(xiàn)最大，最小擺動的信號；如發(fā)現(xiàn)電流表指針突然超出量程〔打表現(xiàn)象〕，則F-H管有電離，可馬上減小加速電壓，然后改變F-H管的工作電壓〔如減小燈絲電壓〕。長時間處于電離狀態(tài)會損壞F-H管，使用中需加以注意?！?〕實驗儀使用了一段時間后，F(xiàn)-H管的工作條件可能與原先提供的參考數(shù)據(jù)有偏離，可調節(jié)燈絲電壓，使電流信號增大?！?〕剛開機測量時的信號電流大小與連續(xù)工作后的信號電流大小也有差異，假設發(fā)現(xiàn)信號電流增大許多，可切換電流量程或適當減少燈絲電壓。3.數(shù)據(jù)處理1.平均法求第一激發(fā)電位值〔1〕方法一是直接取激發(fā)曲線中各峰〔或谷〕位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值?！?〕方法二是從實驗曲線中扣除本底電流的影響，即將激發(fā)曲線的各極小值連成一條光滑曲線，用IA的實驗值減去這條光滑曲線上對應的本底電流值，便得到一條差值曲線。以差值曲線各峰〔或谷〕位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值。2.曲線擬合求第一激發(fā)電位〔參考實驗室提供的實驗數(shù)據(jù)分析資料〕【實驗數(shù)據(jù)處理】A.手開工作方式最正確工作點為：VF=2.5V,VG1K=3.6V,VG2P=1.7V,F-H管目標溫度為：185℃IA-VGK關系如表1所示：表1VGK/V8.010.112.714.817.719.922.4IA/10-9A2.01.04.21.27.01.810.0VGK/V24.527.429.632.434.437.539.4IA/10-9A2.112.22.414.04.015.05.4VGK/V42.544.947.750.152.955.157.8IA/10-9A17.98.020.110.021.010.621.8VGK/V60.062.865.668.470.673.3IA/10-9A12.026.418.030.020.031.8由該表畫出IA-VGK關系圖如下：圖5.IA-VGK曲線1、平均法求第一激發(fā)電位：方法1：①直接從激發(fā)曲線中各峰位間距的平均值作為第一激發(fā)電位表2.各峰值VGKVGK(V)8.012.717.722.427.4IA(10-7A)2.04.27.010.012.2VGK(V)32.437.542.547.752.9IA(10-7A)14.015.017.920.121.2VGK(V)57.862.868.473.3IA(10-7A)21.826.430.031.8由上表可得：第一激發(fā)電位值為V={42.5+47.7+52.9+57.8+62.8+68.4+73.3—〔8.0+12.7+17.7+22.4+27.4+32.4+37.5〕}/7/7V=5.05V標準誤差=0.08V第一激發(fā)電位值V=5.05±0.08V②直接從激發(fā)曲線中各谷位間距的平均值作為第一激發(fā)電位表2.各谷值VGKVGK(V)10.114.819.924.529.6IA(10-7A)1.01.21.82.12.4VGK(V)34.439.444.950.155.1IA(10-7A)4.05.48.010.010.6VGK(V)60.065.670.675.6IA(10-7A)12.018.020.024.0由上表可得：第一激發(fā)電位值為V={〔75.6+70.6+65.6+60.0+55.1+50.1+44.9〕-〔39.4+34.4+29.6+24.5+19.9+14.8+10.1〕}/7/7V=5.08V標準誤差=0.08v第一激發(fā)電位值V=5.08+0.08V方法二：從實驗曲線中扣除本底電流的影響，即將激發(fā)曲線的各極小值連成一條光滑曲線，用IA的實驗值減去這條光滑曲線上對應的本底電流值，便得到一條差值曲線。以差值曲線各峰〔或谷〕位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值。取激發(fā)曲線圖7的所有極小值點，經(jīng)多項式擬合后作圖如下：Y=2.0845-0.13664*+0.00549*^2Y=2.0845-0.13664*+0.00549*^2圖6本底電流擬合曲線在激發(fā)曲線圖4中扣除本底電流，得到校正后的激發(fā)曲線圖7：圖7校正后的激發(fā)曲線表3.扣除本底電流后的峰值VGK(V)8.012.717.722.427.4IA(10-9A)2.04.27.010.012.2VGK(V)32.437.542.547.752.9IA(10-9A)14.015.017.920.121.2VGK(V)57.862.868.473.3IA(10-9A)21.826.430.031.8由上表可得：第一激發(fā)電位值為V={〔75.6+70.6+65.6+60.0+55.1+50.1+44.9〕-〔39.4+34.4+29.6+24.5+19.9+14.8+10.1〕}/7/7V=5.08V標準誤差=0.08v第一激發(fā)電位值V=5.08+0.08V2.曲線擬合求第一激發(fā)電位圖8.曲線擬合第一激發(fā)電位圖擬合結果為：VGK=2.44176+5.0411*N由R-Square=0.99983可知數(shù)據(jù)的線性相關性很好。汞原子第一激發(fā)電位值為：V=5.04+0.02VB.計算機工作方式最正確工作點為：VF=2.5V,VG1K=2.7V,VG2P=1.8V,F-H管目標溫度為：185℃電腦采集數(shù)據(jù)見實驗室2號桌，E:\2008光信息\08323063鐘耀男08323054林世杰\temp2根據(jù)數(shù)據(jù)用Origin畫出IA－VGK關系圖線如圖9所示圖9IA-Vgk曲線表4峰值及谷值峰值峰值谷值谷值19.110.1711.020.03213.110.5415.400.03318.160.9319.550.07422.891.2524.590.07528.091.4829.720.13632.421.6835.130.18737.901.8540.070.24842.871.9745.050.36948.072.0450.070.511053.252.0755.380.611157.972.1260.690.751263.122.1765.760.941368.362.2370.771.171473.772.3176.001.431578.902.3982.211.651684.053.4786.941.90方法一.用逐差法計算：對峰值逐差：=362.4/64=5.10=0.08V所以，第一激發(fā)電位值為V=5.08+0.08V對谷值逐差：=362.4/64=5.11=0.10V所以，第一激發(fā)電位值為V=5.11+0.10V方法二：從實驗曲線中扣除本底電流的影響，即將激發(fā)曲線的各極小值連成一條光滑曲線，用IA的實驗值減去這條光滑曲線上對應的本底電流值，便得到一條差值曲線。以差值曲線各峰〔或谷〕位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值。取激發(fā)曲線圖7的所有極小值點，經(jīng)多項式擬合后作圖如下：二次擬合得到的曲線方程為IA=0.13-0.011V+3.70×10-4V*V在激發(fā)曲線圖9中扣除本底電流，得到校正后的激發(fā)曲線圖11圖11校正后的激發(fā)曲線表5.扣除本底電流后的峰值峰值峰值谷值谷值19.110.1111.02-0.02213.110.4915.40-0.02318.160.8819.550.01422.891.1824.59-0.01528.091.3729.720.00632.421.5235.13-0.02737.901.6140.070.003842.871.6345.05-0.04948.071.5850.070.001053.251.4855.38-0.041157.971.3860.69-0.081263.121.2665.76-0.071368.361.1270.77-0.031473.770.9876.00-0.0011578.900.8282.21-0.081684.051.6586.94-0.07由上表可得：第一激發(fā)電位值為=362.4/64=5.10標準誤差=0.09V所以，第一激發(fā)電位值為V=5.10+0.09V2.曲線擬合求第一激發(fā)電位圖12.曲線擬合第一激發(fā)電位圖擬合結果