夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)講義

1、夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)講義補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)講義：夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解玻爾的原子模型理論。2、用實(shí)驗(yàn)的方法測定氤原子的第一激發(fā)電勢，從而證明 原子能級的存在。實(shí)驗(yàn)原理玻爾提出的原子理論指出：(1)原子只能較長地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)(簡稱為能級)。原子處在這些能級時(shí)，不發(fā)射或吸收能量；原子在 各能級時(shí)有確定的能量，其數(shù)值是彼此分隔的。原子的 能量不論通過什么方式發(fā)生改變，它只能從一個(gè)能級躍 遷到另一個(gè)能級。(2)原子從一個(gè)能級躍遷到另一個(gè)能級而發(fā)射或吸收 輻射時(shí)，輻射頻率是一定的。如果用 Em口 En代表有關(guān) 兩能級的能量的話，輻射的頻率由如下關(guān)系確定：h= Em-En(1)式中h為普朗克常數(shù)

2、,其公認(rèn)值為：h=6.63 X 10-34/NGLDIA恒立達(dá)為了使原子從低能級向高能級躍遷，可以通過讓具有 一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換的辦法來實(shí) 現(xiàn)。設(shè)初速度為零的電子在電勢差為Uo的加速電場作用 下，獲得能量eu。當(dāng)具有這種能量的電子與稀薄氣體的 原子發(fā)生碰撞時(shí)，就會發(fā)生能量交換。如以&代表氣體 原子的基態(tài)能量、E2代表原子的第一激發(fā)態(tài)能量，那么 當(dāng)該氣體原子接受從電子傳遞來的能量恰好為eU0=E2-Ei時(shí)，氣體原子就會從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。而相應(yīng)的 電勢差U。稱為該氣體元素的第一激發(fā)電勢(或稱中肯電 勢)。測定出這個(gè)電勢差U。，就可以根據(jù)式(2)求出基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)

3、之間的能量差了。夫蘭克一赫茲管的構(gòu)造原理如圖1所示。1Vf Vgi VG2 Vp圖1夫當(dāng)克-赭茲管工作原理圖在夫蘭克赫茲管中充彳e測氣體，燈絲電源 v給燈絲 和陰極K加熱，電子由熱陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵 極G1之間的加正電壓Vs,其作是消除電子在陰極附近的 堆積效應(yīng)，起到控制電子流大小的作用。第二柵極的加 速電壓Vgz使電子加速，在陽極P和柵極G之間加有反向 拒斥電壓vp。管內(nèi)空間電勢分布如圖2所示。圖2 夫蘭克-赫茲管內(nèi)電勢分布u/vi當(dāng)電子通過KG2空間進(jìn)入G2P空間時(shí)，如果有較大的能量(meWG» ,就能沖過反向拒斥電場而到達(dá)陽極形成陽極電流Ip,為微電流計(jì)檢出。如果電子在

4、KG2空間與待測氣體 HEngldia恒立達(dá)原子碰撞，把自己一部分能量給了待測氣體原子而使后 者激發(fā)的話，電子本身所剩余的能量就很小，以至通過 第二柵極后已不足以克服拒斥電場而被折回到第二柵 極。這時(shí)，通過電流計(jì)的電流就將顯著減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)， 使KG2間的電壓VG2逐漸增加并仔細(xì)觀察電流計(jì)的電流指 示。如果原子能級確實(shí)存在，而且基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之 間有確定的能量差的話，就能觀察到如圖 3所示的IpVg2的曲線。圖3所不的曲線反映了在KG2空間電子與氣體原子進(jìn)行 能量交換的情況。當(dāng)KG2空間電壓逐漸增加時(shí)，電子在叫 空間被加速而取得越來越大的能量。但起始階段，由于 電壓較低，電子的能量較少，即使在

5、運(yùn)動過程中它與原子相碰撞也只有微小的能量交換(為彈性碰撞)。穿過柵 極的電子所形成的板流Ip將隨柵極電壓 W的增加而增 大。當(dāng)電子的能量達(dá)到待測氣體原子的第一激發(fā)電勢U時(shí)，電子在KG2空間與氣體原子相碰撞，將自己從加速電 場中獲得的全部能量交給后者，并且使后者從基態(tài)激發(fā) 到第一激發(fā)態(tài)。而電子本身由于把絕大部分能量交出， 即使穿過了柵極也不能克服反向拒斥電場而被折回柵極 (被篩選掉)。所以陽極電流IP將顯著減小。如果第二柵 極電壓繼續(xù)增加，電子的能量又隨之增加，在與氣體原 子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場 而達(dá)到陽極P,這時(shí)電流又開始上升。直到電子的能量 達(dá)到二倍于氣體原子的第一

6、激發(fā)態(tài)能量時(shí)，電子在KG2間又會因二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次陽極 電流的下降。因此凡在柵極電壓VG2 = nUo+E(n=1,2,3)(3)的地方陽極電流Ip都會相應(yīng)下跌，形成規(guī)則起伏變化的 IpVG2曲線。式(3)中的E為與金屬電子逸出功有關(guān)的某一常量。而各次陽極電流Ip開始下降時(shí)所對應(yīng)的陰柵極電壓W之差應(yīng)該是該氣體原子的第一激發(fā)電勢 U0o本實(shí)驗(yàn)就是要通過實(shí)際測量來證實(shí)原子能級的存在，并測定出待測氣體原子的第一激發(fā)電勢 U。如果夫蘭克赫茲管中充以不同的氣體元素， 則各元素的第一激發(fā)電勢如（表1）所示：表1幾種元素的第一激發(fā)電勢元素鈉(Na )鉀(K)鋰(Li)鎂(Mg )汞(H

7、g)氨(He )窟(Ne )瀛(Ar )U0/V2.1.1.2.4.211611126384719.2.8.8實(shí)驗(yàn)儀器及其簡介夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀該儀器采用充瀛氣的四極管做成的夫蘭克-赫茲管儀器面板結(jié)構(gòu)如圖5所示：1234109876圖5儀器面板圖面板結(jié)構(gòu)圖說明：1 .夫蘭克-赫茲管陽極電流I p指示，電流單位nA ;2 . 電流表量程轉(zhuǎn)換，有 20nA、200nA、2KnA三檔電 流的量程可選擇；3 .電壓指示，可與右邊的電壓測量選擇開關(guān)配合使用，以分別顯示VG2、Vp、Vf各檔電壓；4 .電壓測量選擇開關(guān)；5 .電源開關(guān)；6 .電壓增減調(diào)節(jié)按鍵；7 .自動掃描時(shí)的“快速”和“慢速”轉(zhuǎn)換；8

8、.“手動”、“自動”選擇開關(guān)；9 .陽極電流Ip信號輸出插口，信號幅度為0-2V,用示 波器觀察時(shí)接示波器“ Y”插口；10 .第二柵極電壓VG2信號輸出插口，信號幅度為 0 2V,用示波器觀察時(shí)接示波器“ X”插口。11 .微機(jī)串行口 CO輸出接口（在儀器背面，圖中沒有 反映出來）。實(shí)驗(yàn)步驟4HENGLDIA恒立達(dá)1 在用微機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前， 要先把微機(jī)夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)背后的COM接口與電腦連接好，并按夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)儀機(jī)箱上的參考電壓值把夫蘭克赫茲管的各電極電壓調(diào)到合適位置。具體方法是：打開電源，預(yù)熱數(shù)分鐘后， 先把 “掃描選擇” 撥到 “自動” 、 “慢速” ，然后依次分別把“電壓測量選擇開關(guān)

9、” （ 4 ）撥到“Vf”、“VG1'和“Vp”位置，再按一下儀器面板上的“+ ” / “ - ”按鍵，把相應(yīng)的電壓調(diào)到預(yù)定的參考值附近，再按一下“ +” / “- ”按鍵讓電壓變化停下來，再把“掃描選擇”撥到“手動” ，按動“ +” / “- ”按鍵對電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。 （注意，當(dāng)某一個(gè)電壓指示燈亮起來時(shí)，此時(shí)按下的“ +” 、“ - ” 鍵僅是對這個(gè)電壓進(jìn)行調(diào)整， 與其它的電壓無關(guān)。）。打開電腦運(yùn)行軟件，選擇好COM!信接口。2 以上步驟完成后， 再通過按鍵“ - ” 使 VG2 降到最低值，即可開始測量IpW關(guān)系了。（記錄此關(guān)系數(shù)據(jù)并作IpVG2關(guān)系圖。）5上述步驟完成后，再把“

10、電壓測量選擇開關(guān)”撥到 “VG2,點(diǎn)擊電腦屏幕界面上的“開始”按鈕，計(jì)算機(jī) 接口就開始采集IpVg2的數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)的屏幕上 “記錄點(diǎn)數(shù)”欄 就會出現(xiàn)不斷變化的數(shù)字，此時(shí)可有兩 種方式描繪夫蘭克-赫茲管的IPVG2曲線:(1)自動方式：把“掃描選擇”撥到“自動”，然后按一下“+”按鍵，則計(jì)算機(jī)屏幕上就會自動顯現(xiàn) 出不斷延伸的夫蘭克赫茲管的IPVG2曲線。在 此期間，只要再按一下+"按鍵，則曲線就會暫HENGLDIA恒立達(dá)停變化，再次按一下“ +”鍵，IPVG2曲線又會繼續(xù)向前延伸描繪。 。曲線延伸的速度可用“快速”和“慢速”來轉(zhuǎn)換，一般推薦選擇“慢速”較好，這樣描繪出的曲線比較細(xì)膩，

11、若采用“快速”則描繪的曲線比較稀疏。2 2）手動方式：該方式僅用于電壓微調(diào)，把“掃描選擇”撥到“手動” ，按一下“ +” / “- ”按鍵，可使相關(guān)電壓改變一步。待測量的曲線完成后， 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上的 “停止”按鈕，就可停止數(shù)據(jù)采集。3 .讀出IpVG2曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊曲線上的點(diǎn)的位置，則在屏幕右上角的顯示窗口里就可顯示出該點(diǎn)的 VGIp坐標(biāo)。按下“確定”按鈕，就可在屏幕的下方表格中把該點(diǎn)的坐標(biāo)記錄下來。為了使鼠標(biāo)精確點(diǎn)擊曲線上的某個(gè)位置，可以點(diǎn)擊選中屏幕上的“放大” （或“縮小” ）按鍵，再把鼠標(biāo)移到曲線上的這個(gè)位置附近， 分別按下鼠標(biāo)的左、 右鍵，就可使曲線在橫向或縱向放大（或“

12、縮小” ） 。當(dāng)曲線放7HEngldia恒立達(dá)大（或縮?。┑胶线m的程度，再點(diǎn)擊選中屏幕上的“移 動”按鍵，按住鼠標(biāo)就可以任意拖動曲線，再用鼠標(biāo)點(diǎn) 擊經(jīng)放大后的曲線上的點(diǎn)，就可精確測出該點(diǎn)的坐標(biāo)。 記錄下曲線上各有關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)值后，按一下“保存”按 鈕，就可在電腦上自動生成 Word文檔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告， 據(jù)此還可進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1 .氣體原子第一激發(fā)電勢測量結(jié)果：第一激發(fā)電勢測量測試條件：Vf= V ;條=V ; VP= V;序號12345678被測星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Vg/VIp/nA其它補(bǔ)充點(diǎn)的測量數(shù)據(jù):V/VI p/nA根據(jù)上面

13、表格中的測量數(shù)據(jù)，用描點(diǎn)作圖法畫出IP - 口的曲線；用逐差法計(jì)算待測氣體的第一激發(fā)電勢 之：峰值電壓的平均間距:5峰=(乜 V1)(V6 V2)(V7 V3)(V8 V4)一V谷值電壓的平均間距:MVi)(V6V2)(V7V3)(V8V4)一Uo谷一V測量結(jié)果：氣體原子的第一激發(fā)電勢U0)2V根據(jù)表1,該待測氣體元素為： 注意與說明(1)在調(diào)節(jié)第二柵極電壓Vg2和Vf時(shí)注意Vg2和Vf過大會導(dǎo) 致電子管電離擊穿損壞，雖然線路中加保護(hù)措施但是電 離擊穿對陰極具有極大的破壞性。所以一旦發(fā)現(xiàn)陽極電 流Ip的負(fù)值或正值超過200 nA應(yīng)迅速將Vg2和Vf降下來。(2)在增加燈絲電壓Vf時(shí)，陽極電流值不能立即到 達(dá)某一穩(wěn)定值，所以要非常緩慢的增加Vf, 一般需10HENGLDIA恒立達(dá)23分鐘后ip電流才能逐步達(dá)到穩(wěn)定值。（ 3） 儀器面板上的Vf 只是個(gè)參考值， 一般隨季節(jié)和環(huán)境溫度的不同Vf 電壓都須作一些適當(dāng)調(diào)整，具體標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)?shù)诙艠O電壓Vg2調(diào)到51V左右時(shí)，調(diào)整Vf23分鐘后使Ip電流達(dá)到3040nA,那么這時(shí)的Vf為最佳值。（ 4）若點(diǎn)擊電腦屏幕界面上的 “開始” 按鈕后，屏幕上“記錄點(diǎn)數(shù)” 的數(shù)字不變化， 則須檢查計(jì)算機(jī)接口的 COM信號