最新弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)

1、弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定汞或氬原子的第一激發(fā)電位，從而證明原子分立態(tài)的存在；2練習(xí)使用微機(jī)控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)玻爾的原子模型理論，原子是由原子核和以核為中心沿各種不同軌道運(yùn)動(dòng)的一些電子構(gòu)成的。對(duì)于不同的原子，這些軌道上的電子束分布各不相同。一定軌道上的電子具有一定的能量。當(dāng)同一原子的電子從低能量的軌道躍遷到較高能量的軌道時(shí)，原子就處于受激狀態(tài)。假設(shè)軌道1為正常態(tài)，那么較高能量的2和3依次稱為第一受激態(tài)和第二受激態(tài)，等等。但是原子所處能量狀態(tài)并不是任意的，而是受到玻爾理論的兩個(gè)根本假設(shè)的制約：1定態(tài)假設(shè)。原子只能處在穩(wěn)定狀態(tài)中，其中每一狀態(tài)相應(yīng)于

2、一定的能量值Eii1，2，3，這些能量值是彼此分立的，不連續(xù)的。2頻率定那么。當(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，就吸收或放出一定頻率的電磁輻射。頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)之間的能量差，并滿足如下關(guān)系：其中稱作普朗克常數(shù)。原子狀態(tài)的改變通常在兩種情況下發(fā)生，一是當(dāng)原子本身吸收或放出電磁輻射時(shí)，二是當(dāng)原子與其他粒子發(fā)生碰撞而交換能量時(shí)。本實(shí)驗(yàn)就是利用具有一定能量的電子與汞原子相碰撞而發(fā)生能量交換來實(shí)現(xiàn)汞原子狀態(tài)的改變。由玻爾理論可知，處于基態(tài)的原子發(fā)生狀態(tài)改變時(shí)，其所需能量不能小于該原子從基態(tài)躍遷到第一受激態(tài)時(shí)所需的能量，這個(gè)能量稱作臨界能量。當(dāng)電子與原子碰撞時(shí)，如果電子能量小于臨界

3、能量，那么發(fā)生彈性碰撞；假設(shè)電子能量大于臨界能量，那么發(fā)生非彈性碰撞。這時(shí)，電子給予原子以躍遷到第一受激態(tài)時(shí)所需要的能量，其余能量仍由電子保存。一般情況下，原子在受激態(tài)所處的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)，短時(shí)間后會(huì)回到基態(tài)，并以電磁輻射的形式釋放出所獲得的能量。其頻率滿足下式式中為汞原子的第一激發(fā)電位。所以當(dāng)電子的能量等于或大于第一激發(fā)能時(shí)，原子就開始發(fā)光。弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)的原理可用圖 來說明。其中弗蘭克赫茲管是一個(gè)具有雙柵極結(jié)構(gòu)的柱面型充汞四極管。第一柵極的作用主要是消除空間電荷對(duì)陰極電子發(fā)射的影響提高發(fā)射效率。第一柵極與陰極K之間的電位差由電源提供。電源加熱燈絲FF，使旁熱式陰極K被加熱，從而產(chǎn)生慢電子。掃

4、描電源加在柵極和陰極K之間，建立一個(gè)加速場(chǎng)，使得從陰極發(fā)出的電子被加速，穿過管內(nèi)汞蒸汽朝柵極運(yùn)動(dòng)。由于陰極到柵極之間的距離比擬大，在適當(dāng)?shù)墓魵鈮合拢@些電子與汞原子可以發(fā)生屢次碰撞。電源 在柵極和極板P之間建立一拒斥場(chǎng)，到達(dá)附近而能量小于的電子不能到達(dá)極板。極板電路中的電流強(qiáng)度用微電流放大器A來測(cè)量，其值大小反映了從陰極到達(dá)極板的電子數(shù)。實(shí)驗(yàn)中保持和不變，直接測(cè)量極板電流隨加速電壓變化的關(guān)系。加速電壓剛開始升高時(shí)，板極電流也隨之升高，直到加速電壓等于或稍大于汞原子的第一激發(fā)電位，這時(shí)在柵極附近電子與汞原子發(fā)生非彈性碰撞，把幾乎全部的能量交給汞原子，使汞原子激發(fā)。這些損失了能量的電子不能越過產(chǎn)

5、生的拒斥場(chǎng)，到達(dá)板極的電子數(shù)減少，所以電流開始下降，繼續(xù)增加，電子在與汞原子碰撞后還能在到達(dá)前被加速到足夠的能量，克服拒斥場(chǎng)的阻力而到達(dá)板極P，這時(shí)電流又開始上升。直到與K間的電壓時(shí)二倍于汞原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在附近又會(huì)因第二次非彈性碰撞而失去能量，并且受到拒斥場(chǎng)的阻擋而不能到達(dá)板極，電流再度下降。同樣的道理，隨著加速電壓的增加，電子會(huì)在柵極附近與汞原子發(fā)生第三次、第四次、非彈性碰撞，因而板極電流就會(huì)相應(yīng)下跌，形成具有規(guī)那么起伏的曲線。圖 是利用微電流放大器測(cè)得的汞原子的實(shí)驗(yàn)曲線，并由此定出汞原子的第一激發(fā)電位。實(shí)驗(yàn)中板極電流的下降并不是完全突然的，其峰值總有一定寬度。這是由于從陰極發(fā)出

6、的電子初始能量不完全一樣，服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。另外由于電子與原子的碰撞有一定幾率，當(dāng)大局部電子恰好在柵極前使汞原子激發(fā)而損失能量時(shí)，顯然會(huì)有一些電子逃避了碰撞而直接到達(dá)板極，因此板極電流并不降到零。電壓，第三組作為控制柵電壓。5掃描電源。用以改變加速電壓。輸出波形：鋸齒波，三角波。掃描方式：手動(dòng)，自動(dòng)。掃描電源上有電壓表指示掃描電壓大小。為使讀數(shù)精確，同時(shí)再外接一個(gè)量程200V的數(shù)字電壓表，指示該電壓大小。6微電流放大器。該儀器使利用高輸入阻抗運(yùn)算放大器制成的I-U變換器，可測(cè)量的電流，在本實(shí)驗(yàn)中用來測(cè)量板極電流。使用時(shí)電路中接入一個(gè)微安表，指示被測(cè)電流的相對(duì)大小。測(cè)量開始前調(diào)節(jié)“調(diào)零旋鈕，使

7、電流表指針指零。由于電流為電子流，應(yīng)將極性開關(guān)扳到“。微機(jī)控制的弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡是AC1095多功能12位A/D接口板，它具有16路模擬輸入，輸入程控的放大倍數(shù)G1、2、5、10，單極性輸入幅度0V10V，采樣速率50kHz，1路12位D/A轉(zhuǎn)換器等多種功能。在選定實(shí)驗(yàn)條件后，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程由微機(jī)控制，在接口板D/A端的輸出信號(hào)去控制掃描電壓，A/D端采樣，每次要采回兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即加速電壓和板極電流。因加速電壓較高，進(jìn)入采集板的是經(jīng)過分壓的，范圍在0V10V。因此要準(zhǔn)確地知道加到管子上的實(shí)際電壓是多少，就需要對(duì)采集進(jìn)行標(biāo)定。4實(shí)驗(yàn)步驟及考前須知1接線和檢查線路：參

8、考圖 接線，將各電壓調(diào)節(jié)旋鈕反時(shí)針方向旋到底使電壓最?。粰z查控溫儀與加熱爐之間連接線。2加熱爐和微電流放大器通電：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室給定的爐溫控制值，在控溫儀上預(yù)置爐溫值，接通加熱爐、控溫儀電源，同時(shí)開啟微電流放大器的電源。3摸索實(shí)驗(yàn)條件，定性觀察變化情況：開啟穩(wěn)壓電源和掃描電源。根據(jù)給定的、控制值，先預(yù)置一組數(shù)。掃描電源置“手動(dòng)。緩慢增加，觀察板極電流的變化情況，此時(shí)應(yīng)能看到的起伏變化。分別改變、及爐溫值，觀察每格參量對(duì)曲線的影響。最后，要求隨著的增加能觀察到有810個(gè)峰，峰與谷的差異應(yīng)比擬明顯，最大峰值應(yīng)接近于電流表的滿量程處，但又不過載，并且在三五分鐘時(shí)間內(nèi)變化規(guī)律無明顯改變。在改變條件過程中，

9、要注意以下幾點(diǎn)：每個(gè)參量不能超過最大允許值；電流表不要過載；和爐溫改變時(shí)，對(duì)的影響有一定滯后時(shí)間，不要一下子改變很多。每改變一次，等2min3min再觀察的變化；假設(shè)電流迅速增大，說明汞原子已明顯電離，此時(shí)應(yīng)立即減小 有時(shí)掃描電源也可置于“自動(dòng)，周期選用“40s。4測(cè)量曲線：在得到了滿足3中要求的最正確條件，并待變化規(guī)律也已到達(dá)穩(wěn)定后，可開始逐點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)。利用“手動(dòng)掃描方式，緩慢增加，從0V到60V左右，逐點(diǎn)記錄及相應(yīng)的值。合理選擇測(cè)量間隔，峰值點(diǎn)附近測(cè)量點(diǎn)要多些。5利用“自動(dòng)掃描方式和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得曲線5數(shù)據(jù)處理及誤差分析Uf,UG,UR 對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響數(shù)值影響Uf會(huì)影響出來的電子數(shù)目，

10、導(dǎo)致所測(cè)電流的變化 0Uf3VUG使出來的電子進(jìn)入加速電場(chǎng)，電子進(jìn)入電場(chǎng)的數(shù)目隨著UG的增加而增加，但是當(dāng)UG很大的時(shí)候電流表的示數(shù)反而隨之減小UR影響電子到達(dá)極板的數(shù)目，隨著UR的變大電子的到達(dá)數(shù)目反而減小，當(dāng)UR大到一定程度的時(shí)候甚至電流表有可能反向當(dāng)手動(dòng)調(diào)節(jié)Uf UG UR 使得效果最正確時(shí)，燈絲電壓Uf=2.8V 拒斥場(chǎng)電壓UR =6.3V 控制柵極電壓UG =2.2V峰值電壓表格編號(hào)123456電壓值U/v17.628.640.953.065.393.86思考題1為什么IP-Ua呈周期性變化 答：加速電壓Ua剛開始升高時(shí)，極板電流也隨之升高，直到加速電壓Ua等于或者稍大于Ar原子的第

11、一激發(fā)電壓，這是在柵極G2附近電子與Ar原子發(fā)生非彈性碰撞，能量傳遞給Ar原子，Ar原子被激發(fā)。這時(shí)候由于電子損失了大量的能量，不能夠越過UR產(chǎn)生的拒斥場(chǎng)，使得到達(dá)極板的電子數(shù)目減少，所以電流開始下降，繼續(xù)增加Ua，電子在于Ar原子碰撞后還能在到達(dá)G2前輩加速到足夠的能量，克服拒斥場(chǎng)的阻力而到達(dá)極板P，這是電流又開始上升。直到G2與K之間的電壓為2Ug時(shí)，電子在G2附近又會(huì)因第二次非彈性碰撞而失去能量，并且受拒斥場(chǎng)的作用不能到達(dá)極板，Ip再次下降。同理，隨Ua增加，電子會(huì)在柵極G2附近與Ar原子發(fā)生第三次、第四次非彈性碰撞，從而形成有規(guī)那么起伏的Ua-Ip曲線。2拒斥電壓Ur時(shí)，Ip如何變化？

12、答：當(dāng)Ur時(shí)，Ip。當(dāng)Ur到達(dá)一定程度電流表甚至?xí)聪?；?dāng)Uf時(shí)，Ip當(dāng)Ug時(shí)Ip3燈絲電壓Uf改變時(shí)，弗蘭克赫茲管內(nèi)什么參量發(fā)生變化？答：Uf改變時(shí)，管內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)發(fā)生變化。7心得體會(huì)本次實(shí)驗(yàn)雖然操作比擬簡(jiǎn)單，但是要想透徹卻不容易，實(shí)驗(yàn)里出現(xiàn)的可變條件很多，Uf、Ua、Ug、Ur，他們對(duì)于Ip的影響是我們需要考慮的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理分析得到它們與Ip的關(guān)系并用實(shí)驗(yàn)證明是重點(diǎn)。另外這些量聯(lián)合作用效果又會(huì)不同，情況要復(fù)雜。開始手動(dòng)掃描之前找好各量之間關(guān)系確定最正確實(shí)驗(yàn)條件是難點(diǎn)。這樣在經(jīng)過屢次實(shí)驗(yàn)之后才能得到比擬完美的結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)需要較多探索，在開始的時(shí)候只告訴我們幾個(gè)電壓值的范圍，而具具體應(yīng)該取值當(dāng)什么時(shí)候較好時(shí)卻需要自己探索。我剛開始實(shí)驗(yàn)時(shí)可能由于燈絲電壓比擬低，始終無法觀察到Ip變化，后來調(diào)高了燈絲電壓便觀察到了變化，有時(shí)候就一點(diǎn)的電壓變化就能夠使得Ip有顯著的變化。不過燈絲電壓太高也不可以，不僅會(huì)使得在后幾個(gè)峰的時(shí)候超過微安表的量程，而且對(duì)于燈管也不利。此外柵極電壓和加速電壓也不是越高越好，都有一個(gè)最適合的范圍，來取得比擬明顯的效果。在后面用電腦掃描的時(shí)候，剛開始的曲線不