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1、核科学与技术系09300200016何冠泽弗兰克赫兹实验Hg的第一激发能级的测量与讨论一、 实验背景弗兰克赫兹实验通过测量汞蒸气原子对低能电子能量的吸收，证实了原子内部能量量子化。二、实验器材和原理主要实验器材包括：复旦双栅柱面型四极式夫兰克赫兹实验管、微电流放大器、夫兰克赫兹实验仪、x-y记录仪，示意图如图一：图一实验过程中使用的电路图如图二：图二 测量Hg的第一激发能级电路图装置中，VG2K为扫描电压，VG2P为一反向电压，在G2P之间形成减速电场，使能量较低的电子无法达到P极，在谱上体现为峰谷较低，优化实验结果。三、数据处理及分析1）仅改变温度时，图像第一峰峰位、高度的变化图三 第一峰峰
2、位、高度随温度变化图（Vf=2V，VG1K=1V，VG2P=1V）可以很明显地观察到，随着温度升高，第一峰的峰位向右移，高度逐渐降低，当温度足够高时，第一峰消失。对于这一现象，考虑以下解释：峰高降低：对于腔室内的汞蒸气原子，温度升使单位体积内汞原子数增加，即增大了电子与汞原子碰撞的概率。在其他条件相同的情况下，单位时间内电子与汞原子碰撞数目增多，则到达极板P的电子数目减小，使电流减小，即为峰高降低。峰位右移：温度升高使电子的平均自由程减小，为使电子能在一个平均自由程内达到较高能量使汞原子激发，需有更强的加速电场，即有较高的加速电压，在图上体现为峰位右移。2）分别仅改变Vf、VG1K、VG2P等
3、参数时第一峰峰位、峰高的变化图四 第一峰峰位、峰高随Vf变化图（T=170oC，VG1K=1V，VG2P=1V）图五 第一峰峰位、峰高随VG1K变化图 图六 第一峰峰位、峰高随VG2P变化图（T=170oC，Vf=2V，VG2P=1V） （T=170oC，Vf=2V，VG1K=1V）可观察到，对于图四、图六，参数的改变仅影响峰高，因为这两个因素均只控制到达P极板上电子数目的多少。图五中，峰高大致随着VG1k的升高而升高，横向的变化并无明显规律。VG1K主要为了抵消空间电荷对阴极产生的影响，当电压增大时，将有更多的电子从阴极射出，即对应峰高增加。3）确定各参数的最佳值最佳参数的条件下的图像应有较
4、多的峰数、适当的峰高以及较好的分辨率。考虑以上几个因素，认为最佳参数值应为：T=170oC，Vf=2V，VG1K=1V，VG2P=1V如图七所示：图七 最佳参数组合的第一激发态图像与理想图像相比较，横轴电压较大时对应的几个峰，峰高增加不明显，使得峰包络线在横轴电压较大时斜率减小。推测这一现象的物理成因。由图像可知，当VG2K较大时，VG2K对最大电流的影响很小，可认为此时电流达到了近似于饱和的状态，即单位时间内由阴极发出的电子均打在了P极板上。为了使这一小段包络线斜率增大，应增加从阴极射出的总电子数，即增大Vf或VG1K，但由图四、图五可见，当Vf或VG1K过大时，电流值很容易超出量程造成图像
5、畸变。如此则可考虑选用量程更大的电流表档位，但相应地会造成电流表分辨率下降，对峰位的判断造成影响。考虑到试验中我们更感兴趣的是峰位而不是峰高，故选择较小的电流表量程档位。4）最佳参数条件下峰位的测量NVG2K（V）VG2K（V）17.1211.64.5316.34.74214.7525.94.9630.84.9735.64.8840.65.0945.65.01050.54.91155.65.11260.75.11365.85.11470.95.115765.11681.25.21786.65.4表一 最佳参数条件Hg的第一激发态峰位表可见两峰之间的差值并不是严格等于4.9V的，扫描电压较小时，
6、V小于4.9V，扫描电压较大时，V大于4.9V。从原子结构方面进行分析，Hg原子的基态为6s6s1S0，最低的一组激发态为6s6p3P0,6s6p3P1,6s6p3P2，相对应到基态的电压分别为4.57V，4.89V，5.46V。其中第一、第三个能级到基态的跃迁都属于禁戒跃迁，第二个能级到基态的跃迁是允许的，在测量时认为测量到的是三种跃迁的混合结果。在扫描电压较低时，电子获得能量较低，主要是由基态到6s6p3P0,6s6p3P1的跃迁，则峰间距小于4.9V；当扫描电压较高时，有部分电子在一个平均自由程内获得了大于4.9eV的能量，足以使Hg原子从基态跃迁到6s6p3P2态，即使得峰间距大于4.9V。四、实验总结本次实验过程总体进行较为顺利，但参数变量较多，在设置实验参数时并未能完全合理设计。寻找最佳的参数组合时选择标准较为模糊，没有设置严格的量化标准，使选择结果缺乏较强的说服力。以后实验中应合理设置测量参数并以量化的标准对数据进行选择，以达较强说服力。本次实验基本上较为关注峰的测量，对其它量没有涉及，如果再次实验应对其它因素及数据进行探究，例如谷的位置与高度等。在记录数据时，注意了对试验参数的完整记录，这有助于在数据处理过程中得辨识与分析，应对这种数据记录方法加以保持。
