精选夫兰克-赫兹实验补充实验讲义

1、精选夫兰克-赫兹实验补充实验讲义PAGE HENGLDIA 恒立达PAGE 1PAGE 13补充实验讲义： 夫兰克-赫兹实验实验目的了解玻尔的原子模型理论。用实验的方法测定氩原子的第一激发电势，从而证明原子能级的存在。实验原理玻尔提出的原子理论指出：(1)原子只能较长地停留在一些稳定状态(简称为能级)。原子处在这些能级时，不发射或吸收能量；原子在各能级时有确定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不管通过什么方式发生改变，它只能从一个能级跃迁到另一个能级。(2)原子从一个能级跃迁到另一个能级而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。如果用Em和En代表有关两能级的能量的话，辐射的频率由如下关系确定

2、： h= Em-En (1)(1)式中h为普朗克常数,其公认值为：h=6.6310-34JS为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过让具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的方法来实现。设初速度为零的电子在电势差为U。的加速电场作用下，获得能量eU。当具有这种能量的电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量交换。如以E1代表气体原子的基态能量、E2代表原子的第一激发态能量，那么当该气体原子接受从电子传递来的能量恰好为 eU0=E2-E1 (2)时，气体原子就会从基态跃迁到第一激发态。而相应的电势差U0称为该气体元素的第一激发电势(或称中肯电势)。测定出这个电势差U0，就可以根据式(2)求

3、出基态和第一激发态之间的能量差了。夫兰克赫兹管的构造原理如图1所示。在夫兰克赫兹管中充待测气体，灯丝电源Vf给灯丝和阴极K加热，电子由热阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间的加正电压，其作是消除电子在阴极附近的堆积效应，起到控制电子流大小的作用。第二栅极的加速电压使电子加速，在阳极P和栅极G之间加有反向拒斥电压。管内空间电势分布如图2所示。当电子通过空间进入空间时，如果有较大的能量(eVPG2)，就能冲过反向拒斥电场而到达阳极形成阳极电流IP，为微电流计检出。如果电子在空间与待测气体原子碰撞，把自己一局部能量给了待测气体原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以至通过第二栅极后已缺乏

4、以克服拒斥电场而被折回到第二栅极。这时，通过电流计的电流就将显著减小。实验时，使间的电压VG2逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示。如果原子能级确实存在，而且基态与第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观察到如图3所示的IPVG2的曲线。图3所示的曲线反映了在空间电子与气体原子进行能量交换的情况。当空间电压逐渐增加时，电子在空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子相碰撞也只有微小的能量交换(为弹性碰撞)。穿过栅极的电子所形成的板流将随栅极电压VG2的增加而增大。当电子的能量到达待测气体原子的第一激发电势U0时，电子在空间与气体原子相碰撞，

5、将自己从加速电场中获得的全部能量交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于把绝大局部能量交出，即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回栅极(被筛选掉)。所以阳极电流将显著减小。如果第二栅极电压继续增加，电子的能量又随之增加，在与气体原子相碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而到达阳极P，这时电流又开始上升。直到电子的能量到达二倍于气体原子的第一激发态能量时，电子在间又会因二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次阳极电流的下降。因此凡在栅极电压 VG2 = nU0+E (n=1,2,3) (3)的地方阳极电流IP都会相应下跌，形成规那么起伏变化的VG2曲线。式(3)中的

6、E为与金属电子逸出功有关的某一常量。而各次阳极电流开始下降时所对应的阴栅极电压VG2之差应该是该气体原子的第一激发电势U0。 本实验就是要通过实际测量来证实原子能级的存在，并测定出待测气体原子的第一激发电势U0。 如果夫兰克赫兹管中充以不同的气体元素，那么各元素的第一激发电势如(表1)所示：表1 几种元素的第一激发电势元 素钠(Na)钾(K)锂(Li)镁(Mg)汞Hg氦(He)氖(Ne)氩(Ar)U0/V2.121.631.842.714.921.216.811.8 实验仪器及其简介夫兰克-赫兹实验仪该仪器采用充氩气的四极管做成的夫兰克-赫兹管。仪器面板结构如图5所示：面板结构图说明：夫兰克-

7、赫兹管阳极电流IP指示，电流单位nA；电流表量程转换，有20nA、200nA、2KnA三档电流的量程可选择；电压指示，可与右边的电压测量选择开关配合使用，以分别显示VG2、VP、Vf各档电压；电压测量选择开关；电源开关；电压增减调节按键；自动扫描时的“快速和“慢速转换；“手动、“自动选择开关；阳极电流IP信号输出插口，信号幅度为0-2V，用示波器观察时接示波器“Y插口；第二栅极电压VG2信号输出插口，信号幅度为02V，用示波器观察时接示波器“X插口。微机串行口COM输出接口在仪器反面，图中没有反映出来。实验步骤 1在用微机进行实验前，要先把微机夫兰克赫兹实验背后的COM接口与电脑连接好，并按夫

8、兰克赫兹实验仪机箱上的参考电压值把夫兰克赫兹管的各电极电压调到适宜位置。具体方法是：翻开电源，预热数分钟后，先把“扫描选择拨到“自动、“慢速，然后依次分别把“电压测量选择开关 4拨到“Vf、“VG1”和“Vp位置，再按一下仪器面板上的“+/“-按键，把相应的电压调到预定的参考值附近，再按一下“+/“-按键让电压变化停下来，再把“扫描选择拨到“手动，按动“+/“-按键对电压进行精细调整。注意，当某一个电压指示灯亮起来时，此时按下的“+、“-键仅是对这个电压进行调整，与其它的电压无关。翻开电脑运行软件，选择好COM通信接口。2以上步骤完成后，再通过按键“-使VG2降到最低值，即可开始测量IpVG2

9、关系了。(记录此关系数据并作Ip VG2关系图。)上述步骤完成后，再把“电压测量选择开关拨到“VG2，点击电脑屏幕界面上的“开始按钮，计算机接口就开始采集Ip VG2的数据，在计算机的屏幕上 “记录点数栏 就会出现不断变化的数字，此时可有两种方式描绘夫兰克-赫兹管的Ip VG2曲线：自动方式：把“扫描选择拨到“自动，然后按一下“+按键，那么计算机屏幕上就会自动显现出不断延伸的夫兰克-赫兹管的Ip VG2曲线。在此期间，只要再按一下“+按键，那么曲线就会暂停变化，再次按一下“+键，Ip VG2曲线又会继续向前延伸描绘。曲线延伸的速度可用“快速和“慢速来转换，一般推荐选择“慢速较好，这样描绘出的曲

10、线比较细腻，假设采用“快速那么描绘的曲线比较稀疏。手动方式：该方式仅用于电压微调，把“扫描选择拨到“手动，按一下“+/“-按键，可使相关电压改变一步。待测量的曲线完成后，用鼠标点击屏幕上的“停止按钮，就可停止数据采集。3读出Ip VG2曲线上点的坐标用鼠标点击曲线上的点的位置，那么在屏幕右上角的显示窗口里就可显示出该点的VG2Ip坐标。按下“确定按钮，就可在屏幕的下方表格中把该点的坐标记录下来。为了使鼠标精确点击曲线上的某个位置，可以点击选中屏幕上的“放大或“缩小按键，再把鼠标移到曲线上的这个位置附近，分别按下鼠标的左、右键，就可使曲线在横向或纵向放大或“缩小。当曲线放大或缩小到适宜的程度，再

11、点击选中屏幕上的“移动按键，按住鼠标就可以任意拖动曲线，再用鼠标点击经放大后的曲线上的点，就可精确测出该点的坐标。记录下曲线上各有关点的坐标值后，按一下“保存按钮，就可在电脑上自动生成Word 文档的实验结果报告，据此还可进行进一步的数据处理。实验数据处理 1气体原子第一激发电势测量结果： 第一激发电势测量 测试条件：Vf= V；VG1= V；Vp = V; 序号12345678被测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其它补充点的测量数据：VG2/VIp/nA根据上面表格中的测量数据，用描点作图法画出Ip - VG2的曲线；用逐差法计算待测气体

12、的第一激发电势:峰值电压的平均间距：峰= V谷值电压的平均间距：谷= V测量结果：气体原子的第一激发电势 V 根据表1，该待测气体元素为： 注意与说明在调节第二栅极电压和时注意和过大会导致电子管电离击穿损坏，虽然线路中加保护措施但是电离击穿对阴极具有极大的破坏性。所以一旦发现阳极电流Ip的负值或正值超过200 nA应迅速将和降下来。在增加灯丝电压时，阳极电流值不能立即到达某一稳定值，所以要非常缓慢的增加，一般需23分钟后电流才能逐步到达稳定值。仪器面板上的只是个参考值，一般随季节和环境温度的不同电压都须作一些适当调整，具体标准是：当第二栅极电压调到51V左右时，调整23分钟后使电流到达3040nA，那么这时的为最正确值。4假设点击电脑屏幕界面上的“开始按钮后，屏幕上“记录点数的数字不变化，那么须检查计算机接口的COM信号传输