試驗(yàn)六夫蘭克—赫茲試驗(yàn)-理學(xué)院主匯編

1、實(shí)驗(yàn)六 夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)（二）【 預(yù)習(xí)重點(diǎn) 】1、玻爾原子模型理論。2、實(shí)驗(yàn)原理及方法。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?】測定氬原子第一激發(fā)電位，證明原子能級的存在。學(xué)史背景 】玻爾（ Niels Bohr, 1885 1962 ）的原子模型子是由原子核和以核為中心沿各種不同直徑的軌電子構(gòu)成的，如圖1。對于不同的原子，這些軌分布各不相同。一定軌道上的電子，具有一定的 處在某些軌道上運(yùn)動時，相應(yīng)的原子就處在一個態(tài)，簡稱為 定態(tài) 。當(dāng)某一原子的電子從低能量的高能量的軌道時（例如：圖入 圖 11 中從到） ，我們受激狀態(tài) 。如果電子從軌道躍遷到軌道，該原子進(jìn)入第一受激態(tài)，如從到 激態(tài)等等。玻爾原子模型理論指出：1. 原子只

2、能處在一些不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）中，其中每一定態(tài)相應(yīng)于一定的能量理論認(rèn)為，原道旋轉(zhuǎn)的一些道上的電子數(shù)能量。當(dāng)電子穩(wěn)定的能量狀軌道躍遷到較就說該原子進(jìn)則進(jìn)入第二受Ei （i =1,2, 3, m n）。2 當(dāng)一個原子從某定態(tài)Em 躍遷到另一定態(tài) En 時，就吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率的大小決定于兩定態(tài)之間的能量差En E m ，并滿足以下關(guān)系：h =En Em式中普朗克常數(shù) h=6.63 10-34 J s。原子在正常情況下處于 基態(tài) ，當(dāng)原子吸收電磁波或受到其他有足夠能量的粒子碰撞而交換能量時，可由基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需要的能量稱為 臨界能量 。 當(dāng)電子

3、與原子碰撞時，如果電子能量小于臨界能量，則發(fā)生彈性碰撞，電子碰撞前后能量不變， 只改變運(yùn)動方向。如果電子動能大于臨界能量，則發(fā)生非彈性碰撞，這時電子可把數(shù)值為E=En E1 的能量交給原子（ En 是原子激發(fā)態(tài)能量，E1 是基態(tài)能量） ，其余能量仍由電子保留。如初始能量為零的電子在電位差為U0 的加速電場中運(yùn)動，則電子可獲得的能量為eU 0；如果加速電壓 U0 恰好使電子能量 eU0 等于原子的臨界能量， 即 eU0E2E1，則 U0 稱為 第一激發(fā)電位 ， 或 臨界電位 。測出這個電位差U0，就可求出原子的基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間的能量差E 2E 1。原子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的。不久就會自動回到基

4、態(tài)，并以電磁輻射的形式放出以前所獲得的能量， 其頻率可由關(guān)系式 h =eU 0求得。 在玻爾發(fā)表原子模型理論的第二年（1914） ，夫蘭克 （James用慢電子與稀薄Franck,1882 1964) 和赫茲 (Gustav Hertz,1887 1975) 參照勒納德創(chuàng)造反向電壓法， 氣體原子( Hg ； He)碰撞，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，獲得了圖2 的曲線。圖 2 夫蘭克 -赫茲管的 I A-VGK 曲線1915 年玻爾指出實(shí)驗(yàn)曲線中的電位正是他所預(yù)言的第一激發(fā)電位，從而為玻爾的能級理論找 到了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這是物理學(xué)發(fā)展史上理論與實(shí)驗(yàn)良 性互動的又一個極好例證。夫蘭克及赫茲 二人因此而同獲 19

5、25 年諾貝爾物理學(xué)獎。在夫蘭克的領(lǐng)獎演說中，正派求實(shí) 的科學(xué)家風(fēng)范溢于 言表：在用電子碰撞方法證明向原子傳遞的能量是量子化的這一研究中，我們走了一些彎路。我 們的工作之所以會獲得廣泛的承認(rèn)，是由于它和普朗克，特別是和玻爾的偉大思想有了聯(lián)系。夫 蘭克和赫茲都是德國科學(xué)家，后來夫蘭克因抗議反猶太法移民美國，參加過原子彈研制，同大多 數(shù)科學(xué)家一樣反對向日本投放核武器。赫茲是電磁波發(fā)現(xiàn)者 H 赫茲的侄子，柏林科學(xué)院院士， 一生建樹頗豐?！?實(shí)驗(yàn)原理 】實(shí)驗(yàn)原理如圖 3 所示，在充氬的夫蘭克-赫茲管中，電子由陰極K 發(fā)出，陰極 K 和第一柵極G1 之間的加速電壓VG1K 及與第二柵極 G2 之間的加速

6、電壓VG2K 使電圖 3 夫蘭克 - 赫茲原理圖子加速。在板極 A 和第二柵極 G2 之間可設(shè)置減速電壓VG2A ，管內(nèi)空間電壓分布見圖 4。圖 4 夫蘭克 - 赫茲管內(nèi)空間電位分布原理圖注意：第一柵極G1 和陰極 K 之間的加速電壓 VG1K 約 1.5 伏的電壓，用于消除陰極電壓散射的影響。當(dāng)燈絲加熱時， 陰極的外層即發(fā)射電子， 電子在 G1 和 G2 間的電場作用下被加速而取得越來 越大的能量。但在起始階段，由于電壓VG2K 較低，電子的能量較小，即使在運(yùn)動過程中，它與原子相碰撞（為彈性碰撞）也只有微小的能量交換。這樣，穿過第二柵極的電子所形成的電流 I A 隨第二柵極電壓 VG2K 的

7、增加而增大（見圖 2 ab 段）。當(dāng) VG2K 達(dá)到氬原子的第一激發(fā)電位時，電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞（此時產(chǎn)生非彈性碰撞） 。電子把從加速電場中獲得的全部能量傳遞給氬原子， 使氬原子從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā) 態(tài)，而電子本身由于把全部能量傳遞給了氬原子，它即使穿過第二柵極，也不能克服反向拒斥電 壓而被折回第二柵極。所以板極電流 I A 將顯著減?。ㄈ鐖D 2 ab 段 ）。氬原子在第一激發(fā)態(tài)不穩(wěn) 定，會躍遷回基態(tài)，同時以光量子形式向外輻射能量。以后隨著第二柵極電壓VG2K 的增加，電子的能量也隨之增加，與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，這就可以克服拒斥電壓的作用力而 到達(dá)板極 A ，這時電流又

8、開始上升（如圖2 bc 段），直到 VG2K 是 2 倍氬原子的第一激發(fā)電位時，電子在 G2 與 K 間又會因第二次彈性碰撞失去能量， 因而雙造成了第二次板極電流 I A 的下降 （如 圖 2 cd 段），這種能量轉(zhuǎn)移隨著加速電壓的增加而呈周期性的變化。若以VG2K 為橫坐標(biāo)，以板極電流值 I A 為縱坐標(biāo)就可以得到譜峰曲線，兩相鄰谷點(diǎn)（或峰尖）間的加速電壓差值，即為氬原 子的第一激發(fā)電位值。這個實(shí)驗(yàn)就說明了夫蘭克-赫茲管內(nèi)的電子緩慢地與氬原子碰撞，能使原子從低能級被激發(fā)到高能級，通過測量氬的第一激發(fā)電位值（ 11.5V 是一個定值，即吸收和發(fā)射的能量是完全確定， 不連續(xù)的）說明了玻爾原子能級

9、的存在?！?儀器簡介 】智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀1、智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀面板及基本操作介紹1.1 智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀前面板功能說明智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀前面板如下圖 5 所示，以功能劃分為八個區(qū)：區(qū)是智能夫蘭克 赫茲管各輸入電壓連接插孔和板極電流插座；區(qū)是夫蘭克 赫茲管所需激勵電壓的輸出連接插孔，其中左側(cè)輸出孔為正極，右側(cè)為負(fù)極； 區(qū)是測試電流指示區(qū)：四位七段數(shù)碼管指示電流值；四個電流量程檔位選擇按鍵用于選擇不同的最大電流量程檔； 每一個量程選擇同時備有一個選擇指示燈指示當(dāng)前電流量程檔位；圖 5 智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀面板圖區(qū)是測試電壓指示區(qū)：四位七段數(shù)碼管指示當(dāng)前選擇電壓源的電壓值；四個

10、電壓源選擇按鍵用于不同的電壓源； 每一個電壓量程選擇都備有一個選擇指示燈指示當(dāng)前選擇的電壓 源；區(qū)是測試信號輸入輸出區(qū)： 電流輸入插座輸入夫蘭克 赫茲管極電流； 信號輸出和同步輸出插座可將信號送示波器顯示；區(qū)是調(diào)整按鍵區(qū)，用于：改變當(dāng)前電壓設(shè)定值；設(shè)置查詢電壓點(diǎn)；區(qū)是工作狀態(tài)指示區(qū)：通信指示燈指示實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)的通信狀態(tài)； 啟動按鍵與工作方式按鍵共同完成多種操作，詳細(xì)說明見相關(guān)欄目；區(qū)是電原開關(guān)。1.2 智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀后面板說明智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀后面板上有交流電源插座，插座上自帶有保險(xiǎn)管座； 如果實(shí)驗(yàn)儀已升為微機(jī)型，則通信插座可聯(lián)計(jì)算機(jī)，否則，該插座不可使用。1.3 夫蘭克 赫茲實(shí)

11、驗(yàn)儀連線說明在確認(rèn)供電電網(wǎng)電壓無誤后，將隨機(jī)提供的電源連線插入后面板的電源插座中； 按圖 6 連接面板上的連線。務(wù)必反復(fù)檢查，切勿連錯！ ！圖 6 智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀連線圖1.4 開機(jī)后的初始狀態(tài) 開機(jī)后，實(shí)驗(yàn)儀面板狀態(tài)顯示如下：1. 實(shí)驗(yàn)儀的“ 1mA”電流檔位指示燈亮，表明此時電流的量程為1mA 檔；電流顯示值為 000.ouA （若最后一位不為 0，屬正?，F(xiàn)象） 。2. 實(shí)驗(yàn)儀的“燈絲電壓”檔位指示燈亮，表明此時修改的電壓為燈絲電壓；電壓顯示值為000.0V ；最后一位在閃動，表明現(xiàn)在修改位為最后一位；3. “手動”指示燈亮，表明此時實(shí)驗(yàn)操作方式為手動操作。1.5 變換電流量程 如果

12、想變換電流量程， 則按下在區(qū)中的相應(yīng)電流量程按鍵， 對應(yīng)的量程指示燈點(diǎn)亮， 同時電流指示的小數(shù)點(diǎn)位置隨之改變，表明量程已變換。1.6 變換電壓源如果想變換不同的電壓， 則按下在區(qū)中的相應(yīng)電壓源按鍵， 對應(yīng)的電壓源指示燈隨之點(diǎn)亮， 表明電 壓源變換選擇已完成，可以對選擇的電壓源進(jìn)行電壓值設(shè)定和修改。1.7 修改電壓值按下前面板區(qū)上的 / 鍵，當(dāng)前電壓的修改位將進(jìn)行循環(huán)移動，同時閃動位隨之改變，以提 示目前修改的電壓位置。按下面板上的 / 鍵，電壓值在當(dāng)前修改位遞增 /遞減一個增量單位。1.如果當(dāng)前電壓值加上一個單位電壓值的和值超過了允許輸出的最大電壓值，再按下鍵， 電壓值只能修改為最大電壓值。2

13、. 如果當(dāng)前電壓值減去一個單位電壓值的差值小于零，再按下鍵，電壓值只能修改為零。1.8 建議工作參數(shù)警告： F-H 管很容易因電壓設(shè)置不合適而遭到損害，所以，一定要按照規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟和適當(dāng)?shù)臓顟B(tài) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于 F-H 管的離散性以及使用中的衰老過程，每一只 F-H 管的最佳工作狀態(tài)是不同的，對具體的 F-H 管應(yīng)在機(jī)箱上蓋建議參數(shù)的基礎(chǔ)上找出其較理想的要作狀態(tài)。注：貼在機(jī)箱上蓋的標(biāo)牌參數(shù)，是在出廠時“自動測試”工作方式 下的設(shè)置參數(shù)（手動方式 、自動 方式都可參照） ，如果在使用過程中，波形不理想，可適當(dāng)調(diào)節(jié)燈絲電壓、VG1K 電壓、 VG2A 電壓（燈絲電壓的調(diào)整建議控制在標(biāo)牌參數(shù)的 0.

14、3V 范圍內(nèi)）以獲得較理想的波形， 但燈絲電壓不宜過高， 否則會加快 F-H 管衰老； VG2K不宜超過 85V，否則管子易擊穿。2、手動測試下面是用智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)主機(jī)單獨(dú)完成夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)的介紹。2.1 認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)教程，理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。2.2 按 1.3 條的要求完成連線連接。2.3 檢查連線連接，確認(rèn)無誤后按下電源開關(guān)，開啟實(shí)驗(yàn)儀。2.4 檢查開機(jī)狀態(tài)，應(yīng)與 1.4 條一致。2.5 開機(jī)預(yù)熱： 電流量程、 燈絲電壓、 VG1K 電壓、 VG2A 電壓設(shè)置參數(shù)見儀器機(jī)箱上蓋的標(biāo)牌參數(shù)，將 VG2K設(shè)置為 30V，實(shí)驗(yàn)儀預(yù)熱 10 分鐘，。2.6 參見 1.8 設(shè)置各組電源電壓值

15、和電流量程。操作方法參見 1.6條和 1.7條。需設(shè)定的電壓源有：燈絲電壓 VF 、VG1K 、 VG2A設(shè)定狀態(tài)參見 1.8條或隨機(jī)提供的工作條件。2.7 測試操作與數(shù)據(jù)記錄測試操作過程中每改變一次電壓源 VG2 K 的電壓值， F-H 管的板極電流值隨之改變。此時記錄下區(qū)顯示的電流值和區(qū)顯示的電壓值數(shù)據(jù)，以及環(huán)境條件，待實(shí)驗(yàn)完成后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分折。改變電壓 VG2K 的電壓值的操作方法參見 1.6 條和 1.7 條敘述的方法進(jìn)行。電壓源 VG2K 的電壓值的最小變化值是 0.5V 。為了快速改變 VG2K 的電壓值， 可按 1.7 條敘述的方法先 改變調(diào)整位的位置，再調(diào)整電壓值，可以得到

16、每步大于 0.5V 的調(diào)整速度。2.8 示波器顯示輸出 測試電流也可以通過示波器進(jìn)行觀測。 將區(qū)的“信號輸出”和“同步輸出”分別連接到示波器的信號通道和外同步通道，調(diào)節(jié)好示波器的 同步狀態(tài)和顯示幅度，按 2.7的方法操作實(shí)驗(yàn)儀，在示波器上既可看到 F-H 管板極電流的即時變化。2.9 重新啟動 在手動測試的過程中，按下區(qū)中的啟動按鍵，VG2K 的電壓值將被設(shè)置為零，內(nèi)部存儲的測試數(shù)據(jù)被清除，示波器上顯示的波形被清除，但VF 、 VG1K 、 VG 2K 、電流檔位等的狀態(tài)不發(fā)生改變。這時，操作者可以在該狀態(tài)下重新進(jìn)行測試，或修改狀態(tài)后再進(jìn)行測試。3、自動測式智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀除可以進(jìn)行手動

17、測試外， 還可以自動測試時， 實(shí)驗(yàn)儀將自動產(chǎn)生 VG 2K 掃描電 壓，完成整個測試過程；將示波器與實(shí)驗(yàn)儀相連接，在示波器上可看到 F-H 管板極電流隨 VG 2K 電壓變化 的波形。3.1 自動測試狀態(tài)設(shè)置自動測試時 VF 、 VG1K、 VG2A及電流檔位等狀態(tài)設(shè)置的操作過程， F-H 管的連線操作過程與手動測 試操作過程一樣，可看 2.1至 2.6條的介紹（若儀器已經(jīng)開機(jī)預(yù)熱，就不用再預(yù)熱）。如果通過示波器觀察自動測試過程，可將區(qū)的“信號輸出”和“同步輸出 ”分別連接到示波器的信 號通道和外同步通道，調(diào)節(jié)好示波器的同步狀態(tài)和顯示幅度。建議工作狀態(tài)和手動測試情況下相同。3.2 VG 2K

18、掃描終止電壓的設(shè)定進(jìn)行自動測試時，實(shí)驗(yàn)儀自動產(chǎn)生 VG2K 掃描電壓。實(shí)驗(yàn)儀默認(rèn) VG2K 掃描電壓的初始值為零 , VG2 K掃描電壓大約每 0.4 秒遞增 0.2 伏。直到掃描終止電壓。要進(jìn)行自動測試，必須設(shè)置電壓VG2K 的掃描終止電壓。首先，將面板區(qū)中的“手動 /自動”測試鍵按下，自動測試指示燈亮；在區(qū)按下VG2 K 電壓源選擇鍵， VG2K 電壓源選擇指示燈亮；在區(qū)用/,/ 完成 VG2K 電壓值的具體設(shè)定。 VG2K 設(shè)定終止值建議以不超過 85V 為好。3.3 自動測試啟動 自動測試狀態(tài)設(shè)置完成后，在啟動自動測試過程前應(yīng)檢查VF 、 VG1K 、 VG2K 、 VG2 A的電壓設(shè)

19、定值是否正確，電流量程選擇是否合理，自動測試指示燈是否正確指示，如有不正確的項(xiàng)目，請按 3.1 條 、 3.2條重新設(shè)置正確。如果所有設(shè)置都正確、合理，將區(qū)的電壓源選為 始。在自動測試過程中，通過面板的電壓指示區(qū)（區(qū)） F-H 管板極電流的相關(guān)變化情況。如果連接了示波器，可通過示波器觀察掃描電壓VG 2K ，再按面板上區(qū)的“啟動”鍵，自動測試開，測試電流指示區(qū)（） ，觀察掃描電壓 VG2K 與VG2K 與 F-H 管板極電流的相關(guān)變化的輸出波形。在自動測試過程中，為避免面板按鍵誤操作，導(dǎo)致自動測試失敗，面板上除“手動/自動”按鍵外的所有按鍵都被屏蔽禁止。3.4 測試過程 在自動測試過程中，只要

20、按下“手動 /自動”鍵，手動測試指示燈亮，實(shí)驗(yàn)儀就中斷了自動測試過程， 回復(fù)到開機(jī)初始狀態(tài)。所有按鍵都被再次開啟工作。這時可進(jìn)行下一次的測試準(zhǔn)備工作。本次測試的數(shù)據(jù)依然留在實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)的存貯器中，直到下次測試開始時才被消除。所以示波器仍會觀 測到部分波形。3.5 自動測試過程正常結(jié)束當(dāng)掃描電壓 VG2K 的電壓值大于設(shè)定的測試終止電壓值后，實(shí)驗(yàn)儀將自動結(jié)束本次自動測試過程，進(jìn) 入數(shù)據(jù)查詢工作狀態(tài)。測試數(shù)據(jù)保留在實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)的存貯器中，供數(shù)據(jù)查詢過程使用，所以，示波器仍可觀測到本次測試數(shù) 據(jù)所形成的波形。直到下次測試開始時才刷新存貯器的內(nèi)存。3.6 自動測試后的數(shù)據(jù)查詢自動測試過程正常結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)儀

21、進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢工作狀態(tài)。這時面板按鍵除區(qū)部分還被禁止外，其 他都已開啟。區(qū)的自動測試指示燈亮，區(qū)的電流量程指示燈指示于本次測試的電流量程選擇檔位；區(qū)的各電壓源選擇按鍵可選擇各電壓源的電壓值指示，其中，VF 、 VG1K 、VG2A 三電壓源只能顯示原設(shè)定電壓值，不能通過區(qū)的按鍵改變相應(yīng)的電壓值。改變電壓源 VG 2K 的指示值，就可查閱到本次測試過程中，電壓源的掃描電壓值為當(dāng)前顯示值時，對 應(yīng)的 F-H 管板極電流值的大小，該數(shù)值顯示于區(qū)的電流指示表上。3.7 結(jié)束查詢過程 回復(fù)初始狀態(tài) 當(dāng)需要結(jié)束查詢過程時， 只要按下區(qū)的 “手動 /自動” 鍵，區(qū)的手動測試指示燈亮， 查詢過程結(jié)束， 面板按鍵

22、再次全部開啟。 原設(shè)置的電壓狀態(tài)被消除， 實(shí)驗(yàn)儀存儲的測試數(shù)據(jù)被清除， 實(shí)驗(yàn)儀回復(fù)到始狀態(tài)。4、實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)測試 本節(jié)的介紹僅對已被升級成為微機(jī)型的智能夫蘭克 赫茲實(shí)驗(yàn)儀有效。在與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)測試的過程中，實(shí)驗(yàn)儀面板上的區(qū)的自動測試指示燈亮，通信指示燈閃亮；所有按 鍵都被屏蔽禁止； 在區(qū)，區(qū)的電流、 電壓指示表上可觀察到即時的測試電壓值和 F-H 管的板極電流值， 電流電壓選擇指示燈指示了目前的電流檔位和電壓源選擇狀態(tài)；如果連接了示波器，在示波器上可看到測 試波形；在計(jì)算機(jī)的顯示屏上也能看到測試波形。在與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)測試的過程結(jié)束后， 實(shí)驗(yàn)儀面板上的區(qū)的自動測試指示燈仍維持亮。 按下區(qū)的 “手 動/自動”鍵，區(qū)的手動測試指示燈亮，面板按鍵再次全部開啟；實(shí)驗(yàn)儀存儲的測試數(shù)據(jù)被清除，實(shí)驗(yàn)儀 回復(fù)到初始狀態(tài)。這時可使用實(shí)驗(yàn)儀再次進(jìn)行手動或自動測試【 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 】1 用手動方式、計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)測式方式測量氬原子的第一激發(fā)電位，并作比較。2 分析燈絲電壓、拒斥電壓的改變對F-H 實(shí)驗(yàn)曲線的影響?！?實(shí)驗(yàn)步驟 】1 熟悉實(shí)驗(yàn)裝