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1、弗兰克赫兹实验1.实验目的(）用实验的措施测定汞或氩原子的第一激发电位,从而证明原子分立态的存在;(2)练习使用微机控制的实验数据采集系统。2.实验原理根据玻尔的原子模型理论,原子是由原子核和以核为中心沿多种不同轨道运动的某些电子构成的。对于不同的原子,这些轨道上的电子束分布各不相似。一定轨道上的电子具有一定的能量。当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，原子就处在受激状态。若轨道1为正常态，则较高能量的2和3依次称为第一受激态和第二受激态，等等。但是原子所处能量状态并不是任意的,而是受到玻尔理论的两个基本假设的制约:(）定态假设。原子只能处在稳定状态中,其中每一状态相应于一定的
2、能量值E（1，2,，),这些能量值是彼此分立的，不持续的。()频率定则。当原子从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态时，就吸取或放出一定频率的电磁辐射。频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系：其中称作普朗克常数。原子状态的变化一般在两种状况下发生，一是当原子自身吸取或放出电磁辐射时,二是当原子与其她粒子发生碰撞而互换能量时。本实验就是运用品有一定能量的电子与汞原子相碰撞而发生能量互换来实现汞原子状态的变化。由玻尔理论可知,处在基态的原子发生状态变化时，其所需能量不能不不小于该原子从基态跃迁到第一受激态时所需的能量,这个能量称作临界能量。当电子与原子碰撞时,如果电子能量不不小于临
3、界能量，则发生弹性碰撞;若电子能量不小于临界能量,则发生非弹性碰撞。这时,电子予以原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其他能量仍由电子保存。一般状况下,原子在受激态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。其频率满足下式式中为汞原子的第一激发电位。因此当电子的能量等于或不小于第一激发能时,原子就开始发光。弗兰克赫兹实验的原理可用图 来阐明。其中弗兰克-赫兹管是一种具有双栅极构造的柱面型充汞四极管。第一栅极的作用重要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响提高发射效率。第一栅极与阴极K之间的电位差由电源提供。电源加热灯丝F，使旁热式阴极K被加热,从而产生慢电子。扫
4、描电源加在栅极和阴极K之间,建立一种加速场,使得从阴极发出的电子被加速,穿过管内汞蒸汽朝栅极运动。由于阴极到栅极之间的距离比较大，在合适的汞蒸气压下，这些电子与汞原子可以发生多次碰撞。电源 在栅极和极板P之间建立一拒斥场,达到附近而能量不不小于的电子不能达到极板。极板电路中的电流强度用微电流放大器来测量,其值大小反映了从阴极达到极板的电子数。实验中保持和不变,直接测量极板电流随加速电压变化的关系。加速电压刚开始升高时，板极电流也随之升高，直到加速电压等于或稍不小于汞原子的第一激发电位，这时在栅极附近电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎所有的能量交给汞原子,使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能越
5、过产生的拒斥场，达到板极的电子数减少,因此电流开始下降，继续增长，电子在与汞原子碰撞后还能在达到前被加速到足够的能量,克服拒斥场的阻力而达到板极P，这时电流又开始上升。直到与间的电压时二倍于汞原子的第一激发电位时,电子在附近又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能达到板极，电流再度下降。同样的道理,随着加速电压的增长，电子会在栅极附近与汞原子发生第三次、第四次、非弹性碰撞，因而板极电流就会相应下跌,形成具有规则起伏的曲线。图 是运用微电流放大器测得的汞原子的实验曲线,并由此定出汞原子的第一激发电位。实验中板极电流的下降并不是完全忽然的,其峰值总有一定宽度。这是由于从阴极发出
6、的电子初始能量不完全同样,服从一定的记录规律。此外由于电子与原子的碰撞有一定几率，当大部分电子正好在栅极前使汞原子激发而损失能量时，显然会有某些电子逃避了碰撞而直接达到板极,因此板极电流并不降到零。3.实验仪器弗兰克赫兹实验仪实验用线路图如图 所示。所用仪器由弗兰克赫兹管、加热炉、温度控制仪、稳压电源、微电流放大器和扫描电源六个部分构成。各仪器的特点及操作注意事项简介如下：（1）弗兰克-赫兹管。这是一种具有双栅构造的柱面的充汞四极管。其工作温区为，在不不小于时可获得明显的第一谱峰。（2)加热炉。加热功率约0W。炉内温度均匀，保温性好。面板为实验用接线板，弗兰克赫兹管的各电极均已连到面板上各相应
7、接线端。背面由玻璃观测窗，可观测到受激原子从高能态返回到正常态时所辐射的光。加热炉外形如图所示。（3)温度控制仪。它由交流温控电桥、交流放大器、相敏放大器、控温执行继电器四部分构成。控温范畴，控温精度,同步也能批示被控温度大小。(4）稳压电源。稳压电源输出分为三组，均可调节。第一组作为灯丝电压,第二组作为拒斥场电压,第三组作为控制栅电压。（5）扫描电源。用以变化加速电压。输出波形:锯齿波，三角波。扫描方式：手动,自动。扫描电源上有电压表批示扫描电压大小。为使读数精确，同步再外接一种量程200的数字电压表，批示该电压大小。（6）微电流放大器。该仪器使运用高输入阻抗运算放大器制成的I-U变换器,可
8、测量的电流,在本实验中用来测量板极电流。使用时电路中接入一种微安表，批示被测电流的相对大小。测量开始前调节“调零”旋钮,使电流表指针指零。由于电流为电子流,应将极性开关扳到“-”。微机控制的弗兰克-赫兹实验数据采集系统系统选用的数据采集卡是C095多功能12位/接口板,它具有路模拟输入，输入程控的放大倍数=1、5、10，单极性输入幅度0V10，采样速率5Hz，1路12位D/A转换器等多种功能。在选定实验条件后，整个实验过程由微机控制，在接口板/A端的输出信号去控制扫描电压,A/D端采样，每次要采回两个实验数据，即加速电压和板极电流。因加速电压较高,进入采集板的是通过度压的，范畴在V1V。因此要
9、精确地懂得加到管子上的实际电压是多少,就需要对采集进行标定。4.实验环节及注意事项（)接线和检查线路:参照图 接线,将各电压调节旋钮反时针方向旋究竟使电压最小；检查控温仪与加热炉之间连接线。(2)加热炉和微电流放大器通电:根据实验室给定的炉温控制值，在控温仪上预置炉温值，接通加热炉、控温仪电源,同步启动微电流放大器的电源。（3）摸索实验条件，定性观测变化状况:启动稳压电源和扫描电源。根据给定的、控制值，先预置一组数。扫描电源置“手动”。缓慢增长,观测板极电流的变化状况,此时应能看到的起伏变化。分别变化、及炉温值，观测每格参量对曲线的影响。最后,规定随着的增长能观测到有810个峰,峰与谷的差别应
10、比较明显，最大峰值应接近于电流表的满量程处,但又但是载,并且在三五分钟时间内变化规律无明显变化。在变化条件过程中,要注意如下几点:每个参量不能超过最大容许值;电流表不要过载;和炉温变化时,对的影响有一定滞后时间，不要一下子变化诸多。每变化一次，等2min3mi再观测的变化；若电流迅速增大,表白汞原子已明显电离，此时应立即减小 有时扫描电源也可置于“自动”,周期选用“0s”。(4）测量曲线:在得到了满足3中规定的最佳条件,并待变化规律也已达到稳定后,可开始逐点测量数据。运用“手动”扫描方式,缓慢增长，从V到60V左右,逐点记录及相应的值。合理选择测量间隔，峰值点附近测量点要多些。(）运用“自动”
11、扫描方式和数据采集系统获得曲线5数据解决及误差分析U,G，UR对实验现象的影响数值影响Uf会影响出来的电子数目，导致所测电流的变化 0UfUG使出来的电子进入加速电场,电子进入电场的数目随着UG的增长而增长，但是当U很大的时候电流表的示数反而随之减小R影响电子达到极板的数目，随着UR的变大电子的达到数目反而减小，当UR大到一定限度的时候甚至电流表有也许反向当手动调节Uf UR 使得效果最佳时,灯丝电压Uf=2.8 拒斥场电压UR =6V 控制栅极电压UG=.2V峰值电压表格编号456电压值U/v7.68.640.95.06.9.86思考题1.为什么IP-a呈周期性变化 答:加速电压Ua刚开始升
12、高时,极板电流也随之升高，直到加速电压a等于或者稍不小于Ar原子的第一激发电压，这是在栅极G2附近电子与Ar原子发生非弹性碰撞,能量传递给Ar原子,Ar原子被激发。这时候由于电子损失了大量的能量,不可以越过U产生的拒斥场,使得达到极板的电子数目减少，因此电流开始下降,继续增长Ua,电子在于Ar原子碰撞后还能在达到G2前辈加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而达到极板P,这是电流又开始回升。直到G2与K之间的电压为2g时,电子在G2附近又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受拒斥场的作用不能达到极板，p再次下降。同理，随Ua增长，电子会在栅极G2附近与Ar原子发生第三次、第四次非弹性碰撞,从而形成
13、有规则起伏的Ua-Ip曲线。.拒斥电压Ur时,p如何变化？答:当r时，Ip。当Ur达到一定限度电流表甚至会反向;当Uf时,当U时Ip3灯丝电压Uf变化时,弗兰克赫兹管内什么参量发生变化?答：Uf变化时,管内发射的电子数发生变化。心得体会本次实验虽然操作比较简朴，但是要想透彻却不容易,实验里浮现的可变条件诸多，f、Ua、Ug、r,她们对于Ip的影响是我们需要考虑的，根据实验原理分析得到它们与Ip的关系并用实验证明是重点。此外这些量联合伙用效果又会不同,状况要复杂。开始手动扫描之前找好各量之间关系拟定最佳实验条件是难点。这样在通过多次实验之后才干得到比较完美的成果。本次实验需要较多摸索，在开始的时
14、候只告诉我们几种电压值的范畴,而具具体应当取值当什么时候较好时却需要自己摸索。我刚开始实验时也许由于灯丝电压比较低，始终无法观测到Ip变化，后来调高了灯丝电压便观测到了变化,有时候就一点的电压变化就可以使得I有明显的变化。但是灯丝电压太高也不可以，不仅会使得在后几种峰的时候超过微安表的量程,并且对于灯管也不利。此外栅极电压和加速电压也不是越高越好,均有一种最适合的范畴，来获得比较明显的效果。在背面用电脑扫描的时候,刚开始的曲线不是较好,为了获得比较好的曲线，进行的比较多次的扫描，但是曲线的成果却始终不是很抱负,最后仔细调节,并且不断比较最后得出了一种比较满意的成果，也许这个与灯管也有关系,毕竟如果灯管使用久了就会影响最后实验的物理实验预习报告登记表格U,UG,UR对实验现象的影响数值影响UfUGUR峰值电压表格编号123456电压值Uv手测量第一峰与第二峰表格次序峰值第一峰值/v第二峰值/v峰值差v12356
