_原子定態(tài)能級(jí)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)30 原子定態(tài)能級(jí)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告【背景資料】1914 年，夫蘭克（J.Franck ）和赫茲（G.Hertz）用慢電子和稀薄氣體原子碰撞的方法，成功地使原子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)；通過測(cè)量電子和原子碰撞時(shí)傳遞的能量值，得出了原子發(fā)生躍變時(shí)吸收和發(fā)射的能量是不連續(xù)的，而且是完全確定的結(jié)論。從而玻爾的量子能態(tài)的假設(shè)，被夫蘭克和赫茲作出了最直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.通過汞原子第一激發(fā)電位的測(cè)量，了解弗蘭克和赫茲在研究原子內(nèi)部能級(jí)問題時(shí)所采用的基本實(shí)驗(yàn)方法。2.了解電子與原子碰撞和能量交換的微觀圖像和影響這個(gè)過程的主要物理因素?！緦?shí)驗(yàn)裝備】弗蘭克-赫茲管 弗蘭克-赫茲試驗(yàn) WMZK型溫度指示控

2、制儀 Tektronix TDS3012B數(shù)字熒光示波器 Keithley 2700數(shù)據(jù)采集/程控開關(guān)/數(shù)字多用表【實(shí)驗(yàn)原理】原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，可以通過具有一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換來實(shí)現(xiàn)。設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E，第一激發(fā)態(tài)的能量為E，從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量就是EE。初速度為零的電子在電位差為U的加速電場(chǎng)作用下具有能量U，若U小于EE，則電子與汞原子只能發(fā)生彈性碰撞，二者之間幾乎沒有能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)電子的能量UEE時(shí)，電子與汞原子就會(huì)發(fā)生非彈性碰撞，汞原子將從電子的能量中吸收相當(dāng)于的那一部份，使自己從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而多余的部分仍留給電子。原子定態(tài)能級(jí)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

3、的原理如圖1所示，電子由熱陰極K發(fā)射，陰極K和棚極G之間的加速電壓VGK使電子加速，在陽極A與棚極G見加有反向拒斥電壓VAG，管內(nèi)空間電位分布如圖2所示。當(dāng)電子通過KG空間進(jìn)入GA空間時(shí)，如果能量EeVAG，就能沖過反向電場(chǎng)而到達(dá)陽極A而形成陽極電流，由微電流計(jì)檢出。如果電子在KG空間與汞原子碰撞，而使后者激發(fā)的話，則水銀蒸汽發(fā)出一條明線光譜，同時(shí)電子也有可 圖1F-H實(shí)驗(yàn)原理圖 能剩余能量與不足以克服反向電場(chǎng)而被折回到棚極，這時(shí)通過微電流計(jì)的電流將顯著減少。圖3所示的曲線就是測(cè)得的電子在KG空間與汞原子進(jìn)行能量傳遞的情況。該曲線的明顯特征是：（1）隨VGA的增加，板流IA顯示出一系列極大值和

4、極小值；（2）各極大值（或極小值）之間的間距為4.9V?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】F-H管的工作原理如圖4.F-H外形圖示與圖5，每個(gè)控制部件的作用為：前面板，包括：1.電源-電源開關(guān)接通時(shí)，指示燈亮。2.加速-手動(dòng)調(diào)節(jié)加速電壓，采用多圈電位器，幅度為090V以上。3.VG2P-第二棚極與陽極之間的電壓，調(diào)節(jié)幅度為015V。4.VG1K-第一棚極與陰極之間的電壓，幅度為05V。5.VF-控制F-H管的燈絲電壓，幅度為16V。6.記錄儀-用于連接記錄儀X,Y輸入端。7.電流儀-微電流計(jì)各檔電流指示。8.量程-微電流計(jì)換檔開關(guān)，分四檔，104107A。9.選擇-工作方式選擇開關(guān)。10.電壓-電壓指示換擋開關(guān)，可

5、分別指示加在F-H管上的四個(gè)電壓。11.數(shù)字面板表-用于電壓指示。后面板，包括： 1.Y-接示波器Y輸入。 2.X-接示波器X輸入。 3.計(jì)算機(jī)接口 4.增益調(diào)節(jié)-用于調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)的F-H管電流信號(hào)幅度大小。 5.增益調(diào)節(jié)015V-調(diào)節(jié)輸入到示波器X軸的電壓幅度。 6.外接F-H管-用于連接外部的F-H管?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1. 使用方法（1） 接上WMZK溫度指示控制儀電源，打開開關(guān)。調(diào)節(jié)溫度控制開關(guān)，定好目標(biāo)溫度，加熱約半小時(shí)，控制儀紅燈亮，表示加熱完成。（2） F-H試驗(yàn)儀開機(jī)前將微電流計(jì)置于107A檔，各檔電壓分別旋到最小值。（3） 接通電源，按照F-H管所提供的各級(jí)電壓參數(shù)設(shè)置電壓。先將電壓

6、選擇開關(guān)置于VF，調(diào)節(jié)VF、VG1K、VG2P旋鈕，觀察指示的電壓到參考電壓的數(shù)值；然后將選擇開關(guān)置于VG1K位置；調(diào)節(jié)VG1K旋鈕；再將電壓開關(guān)置于VG2P位置，調(diào)節(jié)VG2P旋鈕。（4） 試驗(yàn)儀提供了四種工作方式：A. 手動(dòng)工作方式：先把選擇開關(guān)達(dá)到“記錄儀”位置，由試驗(yàn)儀進(jìn)行自動(dòng)掃描，從電流表上觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)VF、VG1K、VG2P旋鈕，觀察各旋鈕對(duì)指針偏轉(zhuǎn)的影響，盡量使指針偏轉(zhuǎn)最大，找出實(shí)驗(yàn)的最佳工作點(diǎn)。將選擇開關(guān)撥到“手動(dòng)”位置，電壓開關(guān)調(diào)到“加速”位置，緩慢調(diào)節(jié)“加速”多圈電位器，從電流表上可觀察到峰信號(hào)，用面板讀出峰信號(hào)所對(duì)應(yīng)的電壓值，并逐點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上繪出譜

7、峰IA-VGK曲線。B. 示波器工作方式:(參考實(shí)驗(yàn)室提供的使用資料)C. 計(jì)算機(jī)工作方式：(參考實(shí)驗(yàn)室提供的使用資料) 2 注意事項(xiàng)（1） 實(shí)驗(yàn)儀前面板的記錄儀 X 輸入負(fù)端（黑色接線柱）不能與記錄儀 Y 輸入負(fù)端（黑色接線柱）連接，否則要損壞儀器。（2） 使用前應(yīng)先閱讀說明書中有關(guān)控制部件作用部分的說明，以幫助正確掌握儀器的使用范圍和操作方法。（3） 燈絲電壓對(duì) F-H 管的工作狀態(tài)影響最大，調(diào)節(jié)時(shí)以每次改變 0.1V 為宜。在測(cè)量過程中，當(dāng)慢慢加大加速電壓時(shí)，電流表指針應(yīng)出現(xiàn)最大，最小擺動(dòng)的信號(hào)；如發(fā)現(xiàn)電流表指針突然超出量程（打表現(xiàn)象），則 F-H 管有電離，可馬上減小加速電壓，然后改變

8、 F-H 管的工作電壓（如減小燈絲電壓）。長時(shí)間處于電離狀態(tài)會(huì)損壞 F-H 管，使用中需加以注意。（4） 實(shí)驗(yàn)儀使用了一段時(shí)間后，F(xiàn)-H 管的工作條件可能與原先提供的參考數(shù)據(jù)有偏離，可調(diào)節(jié)燈絲電壓，使電流信號(hào)增大。（5） 剛開機(jī)測(cè)量時(shí)的信號(hào)電流大小與連續(xù)工作后的信號(hào)電流大小也有差別，若發(fā)現(xiàn)信號(hào)電流增大許多，可切換電流量程或適當(dāng)減少燈絲電壓。3.數(shù)據(jù)處理1.平均法求第一激發(fā)電位值（1） 方法一是直接取激發(fā)曲線中各峰（或谷）位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值。（2） 方法二是從實(shí)驗(yàn)曲線中扣除本底電流的影響，即將激發(fā)曲線的各極小值連成一條光滑曲線，用 IA的實(shí)驗(yàn)值減去這條光滑曲線上對(duì)應(yīng)的本底電流值，便

9、得到一條差值曲線。以差值曲線各峰（或谷）位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值。2.曲線擬合求第一激發(fā)電位（參考實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析資料）【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】A.手動(dòng)工作方式最佳工作點(diǎn)為：VF=2.5V, VG1K=3.6V, VG2P=1.7V , F-H管目標(biāo)溫度為：185IA-VGK 關(guān)系如表1所示 ：表1VGK/V8.010.112.714.817.719.922.4IA/10-9A2.01.04.21.27.01.810.0VGK/V24.527.429.632.434.437.539.4IA/10-9A2.112.22.414.04.015.05.4VGK/V42.544.947.750

10、.152.955.157.8IA/10-9A17.98.020.110.021.010.621.8VGK/V60.062.865.668.470.673.3IA/10-9A12.026.418.030.020.031.8由該表畫出IA-VGK 關(guān)系圖如下：圖5.IA-VGK曲線1、平均法求第一激發(fā)電位：方法1：直接從激發(fā)曲線中各峰位間距的平均值作為第一激發(fā)電位 表2.各峰值VGKVGK(V)8.012.717.722.427.4IA(10-7A)2.04.27.010.012.2VGK(V) 32.437.542.547.752.9IA(10-7A)14.015.017.920.121.2VG

11、K(V)57.862.868.473.3IA(10-7A)21.826.430.031.8由上表可得：第一激發(fā)電位值為V=42.5+47.7+52.9+57.8+62.8+68.4+73.3（8.0+12.7+17.7+22.4+27.4+32.4+37.5）/7/7V=5.05V標(biāo)準(zhǔn)誤差=0.08V 第一激發(fā)電位值V=5.05±0.08V直接從激發(fā)曲線中各谷位間距的平均值作為第一激發(fā)電位表2.各谷值VGKVGK(V) 10.114.819.924.529.6IA(10-7A)1.01.21.82.12.4VGK(V) 34.439.444.950.155.1IA(10-7A)4.0

12、5.48.010.010.6VGK(V)60.065.670.675.6IA(10-7A)12.018.020.024.0由上表可得：第一激發(fā)電位值為V=（75.6+70.6+65.6+60.0+55.1+50.1+44.9）-（39.4+34.4+29.6+24.5+19.9+14.8+10.1）/7/7V=5.08V標(biāo)準(zhǔn)誤差=0.08v第一激發(fā)電位值V=5.08+0.08V方法二：從實(shí)驗(yàn)曲線中扣除本底電流的影響，即將激發(fā)曲線的各極小值連成一條光滑曲線，用 IA的實(shí)驗(yàn)值減去這條光滑曲線上對(duì)應(yīng)的本底電流值，便得到一條差值曲線。以差值曲線各峰（或谷）位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值。取激發(fā)曲線圖

13、7的所有極小值點(diǎn)，經(jīng)多項(xiàng)式擬合后作圖如下：Y=2.0845-0.13664X+0.00549X2圖6 本底電流擬合曲線在激發(fā)曲線圖4中扣除本底電流，得到校正后的激發(fā)曲線圖7：圖7 校正后的激發(fā)曲線表3.扣除本底電流后的峰值VGK(V)8.012.717.722.427.4IA(10-9A)2.04.27.010.012.2VGK(V) 32.437.542.547.752.9IA(10-9A)14.015.017.920.121.2VGK(V)57.862.868.473.3IA(10-9A)21.826.430.031.8由上表可得：第一激發(fā)電位值為V=（75.6+70.6+65.6+60.

14、0+55.1+50.1+44.9）-（39.4+34.4+29.6+24.5+19.9+14.8+10.1）/7/7V=5.08V標(biāo)準(zhǔn)誤差=0.08v第一激發(fā)電位值V=5.08+0.08V2.曲線擬合求第一激發(fā)電位圖8.曲線擬合第一激發(fā)電位圖擬合結(jié)果為：VGK=2.44176+5.0411*N 由R-Square=0.99983可知數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性很好。汞原子第一激發(fā)電位值為：V=5.04+0.02VB.計(jì)算機(jī)工作方式最佳工作點(diǎn)為：VF=2.5V, VG1K=2.7V, VG2P=1.8V , F-H管目標(biāo)溫度為：185電腦采集數(shù)據(jù)見實(shí)驗(yàn)室2號(hào)桌，E:2008光信息08323063鐘耀男 08

15、323054林世杰temp2根據(jù)數(shù)據(jù)用Origin畫出IAVGK關(guān)系圖線如圖9所示圖9 IA-Vgk曲線表4峰值及谷值峰值峰值谷值谷值19.110.1711.020.03213.110.5415.400.03318.160.9319.550.07422.891.2524.590.07528.091.4829.720.13632.421.6835.130.18737.901.8540.070.24842.871.9745.050.36948.072.0450.070.511053.252.0755.380.611157.972.1260.690.751263.122.1765.760.94136

16、8.362.2370.771.171473.772.3176.001.431578.902.3982.211.651684.053.4786.941.90方法一.用逐差法計(jì)算：對(duì)峰值逐差：=362.4/64=5.10 =0.08V所以，第一激發(fā)電位值為V=5.08+0.08V對(duì)谷值逐差： =362.4/64=5.11=0.10V所以，第一激發(fā)電位值為V=5.11+0.10V方法二：從實(shí)驗(yàn)曲線中扣除本底電流的影響，即將激發(fā)曲線的各極小值連成一條光滑曲線，用 IA的實(shí)驗(yàn)值減去這條光滑曲線上對(duì)應(yīng)的本底電流值，便得到一條差值曲線。以差值曲線各峰（或谷）位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值。取激發(fā)曲線圖7的

17、所有極小值點(diǎn)，經(jīng)多項(xiàng)式擬合后作圖如下：二次擬合得到的曲線方程為IA=0.13-0.011V+3.70×10-4V*V在激發(fā)曲線圖9中扣除本底電流，得到校正后的激發(fā)曲線圖11圖11校正后的激發(fā)曲線表5.扣除本底電流后的峰值峰值峰值谷值谷值19.110.1111.02-0.02213.110.4915.40-0.02318.160.8819.550.01422.891.1824.59-0.01528.091.3729.720.00632.421.5235.13-0.02737.901.6140.070.003842.871.6345.05-0.04948.071.5850.070.001

18、053.251.4855.38-0.041157.971.3860.69-0.081263.121.2665.76-0.071368.361.1270.77-0.031473.770.9876.00-0.0011578.900.8282.21-0.081684.051.6586.94-0.07由上表可得：第一激發(fā)電位值為=362.4/64=5.10標(biāo)準(zhǔn)誤差=0.09V所以，第一激發(fā)電位值為V=5.10+0.09V2.曲線擬合求第一激發(fā)電位圖12.曲線擬合第一激發(fā)電位圖擬合結(jié)果為：VGK=2.92+5.036*N 由R-Square=0.99964可知數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性很好。汞原子第一激發(fā)電位值為：V=5.036+0.025V【思考題】1在數(shù)據(jù)處理的方法一中，直接取激發(fā)曲線中各峰（或谷）位間距的平均值作為第一激發(fā)電位值。這種方法是否合理？為什么？這種方式不太合理。因?yàn)樗鼪]有扣除本體電流的影響，本底電流是一條隨電壓遞增的曲線，電流的各峰值不一定為實(shí)際電流達(dá)到峰值的值，因此會(huì)有較大的誤差2F-H 管的 IAVG1K曲線中，相鄰兩波峰或波谷 VG1K之差表示什么？波峰為什么要有一定寬度？波谷點(diǎn)的 IA為什么不等于零，且隨 VG1K的增大而增大。（1）相鄰兩波峰或波谷之差表示汞原子吸收的