弗兰克-赫兹实验操作流程

1、实验17弗兰克一赫兹实验【实验目的】通过示波器观察板极电流与加速电压的关系曲线，了解电子与原子碰 撞和能量交换的过程。通过主机的测量仪表记录数据，作图计算氩原子的第一激发电位。采用计算机接口，自动测量氩原子的激发电位，学习数据采集和自动 测量技术。【实验原理】电子与原子的相互作用根据玻尔理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中 每一状态对应于一定的能量值，各定态的能量是分立的，原子只能吸收或辐 射相当于两定态间能量差的能量。如果处于基态的原子要发生状态改变，所 具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要地能量。弗兰克 赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能

2、量交换而实现原 子从基态到高能态的跃迁。电子与原子碰撞过程可以用以下方程表示：m v2 +1 MV2 = 1 m V2 +1 MV2 +AEe 22 e 2其中me是电子质量，M是原子质量，v是电子的碰撞前的速度，V是原子的 碰撞前的速度，V是电子的碰撞后速度，V，是原子的碰撞后速度，AE为内 能项。因为me M，所以电子的动能可以转变为原子的内能。因为原子的 内能是不连续的，所以电子的动能小于原子的第一激发态电位时，原子与电 子发生弹性碰撞AE = 0 ；当电子的动能大于原子的第一激发态电位时，电子 的动能转化为原子的内能AE = E1，E1为原子的第一激发电位。弗兰克-赫兹实验弗兰克和赫兹

3、为了研究气体放电中的低能电子和原子间的相互作用，设 计了电子与原子碰撞的实验。图17-1弗兰克-赫兹实验装置示意图 图17-2管流与加速电压的关系图1914年，它们用图17-1的实验装置获得了一系列重要实验结果，碰撞管 中的电子由热阴极K发射，经K与栅极G之间的电场加速，电子由K射向 G，栅极G与板极P之间则加有一减速电压，形成一个减速电场，使电子减 速。当穿越过G的电子具有较大的能量而足以克服这一减速场时，就能到达 板极P而形成管流贴。充汞管得到的管流与K和G之间的电压的关系如图 17-2所示。图17-3改进后的弗兰克-赫兹实验装置示意图1920年，弗兰克对原来的装置做了改进，如图17-3所

4、示，原有的直热 式阴极用旁热式的来代替，并在靠近阴极处增加一个栅极G1及降低管内的汞 蒸汽压。旁热式阴极发射的电子在加速区K-G1内得到加速，然后进入G1-G2 等势区进行碰撞。在改进后的碰撞管中，可以使电子在加速区内获得相当高 的能量，可测得汞原子的一系列的量子态。汞原子的第一激发能较低(4.89eV), 相应的发射光谱线的波长为253.7nm，可以用紫外光谱仪来证实上述实验结 果。【实验器材描述】微机型弗兰克一赫兹实验仪如图17-4所示。图17-4微机型弗兰克一赫兹实验仪双栅柱面型四极式弗兰克-赫兹管微机型弗兰克-赫兹实验仪采用的是双栅柱面型四极式弗兰克-赫兹管， 其结构如图17-5所示，

5、板极P为敷铝的铁皮圆筒，控制栅G1和加速栅G2 分别用钼丝绕制的螺旋线，阴极K为镍管，管的外壁则敷有三元氧化物，管 内有加热用的热子F，它是双向绞绕的钨丝，钨丝表面涂敷有氧化铝绝缘层。 热子F与阴极K构成傍热式氧化物阴极，发射系数远大于直热式的。G1栅 丝的表面镀金或银，以确保管子性能稳定。所有部件都经过严格的清洁处理， 各电极是同轴的固定在云母绝缘片上，部件装入玻壳内，然后接到真空系统 上抽空、除气和处理，最后充入惰性气体氩。图17-5双栅柱面型四极式弗兰克-赫兹管结构图（1）灯丝电压VF，灯丝温度对阴极的发射系数有很大的影响。击穿电 压随管内的板流的增加而减小。阴极发射出来的电子的速度分布

6、与阴极温度 有关。阴极温度低，电子速度分布窄，电流较小，击穿电压可以提高。（2）控制栅电压VG1K。它用于消除电子在阴极附近的堆积效应，控制 阴极发射的电子流的大小。vG1k过大时，会减小进入碰撞空间的电子流，导 致板流的下降，一般取1V左右。由于阴极的发射系数各不相同，而且G1与 K的间距也可能略有差异，因此在实验中应选取最佳的VG1K值。（3）电子的加速电压VG2K。加速电压的上限是以管子不发生电离为界， 不同的实验条件，加速电压的上限有很大差异。（4）减速电压VG1P。使G2处的能量较低的电子不能到达板极。减速电 压愈大，板流愈小，一般控制在0.5V-2V （充汞管），2V-8V （充氩

7、管），最佳 值则需要在实验中根据实测结果来选定。实验装置原理FD-FH-C微机型弗兰克-赫兹实验仪采用充氩气的弗兰克-赫兹管，实验 装置如图17-6所示，电子由热阴极发出，阴极K和栅极G1之间的加速电压 vg1k使电子加速，在板极P和栅极G2之间有减速电压vG2P。当电子通过栅 极G2进入G2P空间时，如果能量大于eVp，就能到达板极形成电流Ip。如果 电子在G1G2空间与氩原子发生了弹性碰撞，电子本身剩余的能量小于eVp， 则电子不能到达板极。图17-6弗兰克-赫兹实验装置示意图随着VmK的增加，电子的能量增加，当电子与氩原子碰撞后仍留下足够 G2K的能量，可以克服G2P空间的减速电场而到达

8、板极P时，板极电流又开始上 升。如果电子在加速电场得到的能量等于2AE时，电子在G1G2空间会因二 次非弹性碰撞而失去能量，结果使板极电流第二次下降。在加速电压较高的情况下，电子在运动过程中，将与氩原子发生多次非 弹性碰撞，在ip-vG2K关系曲线上就表现为多次下降。板极电流随vG2K的变 化见图17-7 （b）图所示。对氩来说，曲线上相邻两峰（或谷）之间的V“k G2K 之差，即为氩原子的第一激发电位。曲线的极大极小出现呈现明显的规律性， 它是量子化能量被吸收的结果。原子只吸收特定能量而不是任意能量，这证 明了氩原子能量状态的不连续性。图17-7 （a）汞第一激发能态曲线（b）氩第一激发能态

9、曲线【注意事项】仪器应该检查无误后才能接电源，开关电源前应先将各电位器逆时针 旋转至最小值位置。灯丝电压不宜放得过大，一般在3V左右，如电流偏小再适当增加。要防止电流急剧增大击穿弗兰克-赫兹管，如发生击穿应立即调低加 速电压以免管子受损。弗兰克-赫兹管为玻璃制品，不耐冲击应重点保护。实验完毕，应将各电位器逆时针旋转至最小值位置。【实验内容与步骤】1示波器观察法（1）连好主机后面板电源线，用Q9线将主机正面板上“VG2K输出”与 示波器上的“X相”（供外触发使用）相连，“IP输出”与示波器“Y相”相 连，将示波器扫描开关置于“自动”档；（2）分别将示波器“X”、“Y ”电压调节旋钮调至“1V”和

10、“2V”,“ POSITION” 调至“x-y”，“交直流”全部打到“DC”；（3）分别开启弗兰克-赫兹实验仪主机和示波器电源开关，稍等片刻（弗 兰克-赫兹管需预热）；（4）分别调节VF、VG1K、VG2P电压（可以先参考仪器给出值）至合适值，将V“k由小慢慢调大(以弗兰克-赫兹管不击穿为界)，直至示波器上呈现充 G2K氩管稳定的ip-vG2K曲线，观察原子能量的量子化情况。手动测量法调节V“k至最小，扫描开关置于“手动”档，打开主机电源；G2K分别调节Vf、VG1K、VG2p电压(可以先参考仪器给出值)至合适值，用手动方式逐渐增大VG2K，同时观察IP变化,可以看到出现7个峰；选取合适实验点

11、，分别由表头读取Ip和VG2K值，作图可得Ip-VG2K曲线，注意示值和实际值关系；由曲线的特征点求出弗兰克-赫兹管中氩原子的第一激发电位。计算机自动采集连好主机后面板电源线，用串口线将主机后面板上串口与计算机相连，将扫描开关置于“自动”档；分别开启弗兰克-赫兹实验仪主机和示波器电源开关，稍等片刻(弗兰克-赫兹管需预热)；分别调节Vf、VG1K、VG2p电压(可以先参考仪器给出值)至合适值，此时可以先按照方法1在示波器上观察到充氩管稳定的ip-vG2K曲线；此时通过采集软件采集实验曲线，由曲线的特征点求出充氩弗兰克-赫兹管中氩原子的第一激发电位。【实验数据与结果】数据记录实验中应该在波峰和波谷位置周围多记录几组数据