實(shí)驗(yàn)儀說明書

1、FD-FH-夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀說明書上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司中國(guó) 上海FD-FH-型 夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀一、儀器簡(jiǎn)介本實(shí)驗(yàn)儀是用于重現(xiàn)1914年夫蘭克和赫茲進(jìn)行的低能電子轟擊原子的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)充分證明原子內(nèi)部能量是量子化的。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)建立原子內(nèi)部能量量子化的概念，并能學(xué)習(xí)夫蘭克和赫茲研究電子和原子碰撞的實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法。本實(shí)驗(yàn)儀為一體式實(shí)驗(yàn)儀，設(shè)計(jì)緊湊，面板直觀，功能齊全，操作方便。提供給夫蘭克赫茲管用的各組電源電壓穩(wěn)定，測(cè)量微電流用的放大器有很好的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)儀能夠獲得穩(wěn)定優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)曲線。本實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)方法多樣，除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)外還可和示波器,X-Y記錄儀，及微機(jī)連用。本實(shí)驗(yàn)儀適用于大專院

2、校開設(shè)近代物理實(shí)驗(yàn)和普通物理實(shí)驗(yàn)，也可以作為原子能量量子化教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)。二、儀器性能和面板功能1、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)管F-H管為實(shí)驗(yàn)儀的核心部件，F(xiàn)-H管采用間熱式陰極、雙柵極和板極的四極形式，各極均為圓筒狀。這種F-H管內(nèi)充氬氣，玻璃封裝。電性能及各電極與其他部件的連接示意圖如下：2、F-H管電源組 提供F-H管各電極所需的工作電壓。性能如下： a燈絲電壓， 直流 1.35V，連續(xù)可調(diào)； b柵極陰極間電壓，直流，06V，連續(xù)可調(diào)； c柵極陰極間電壓，直流，090V，連續(xù)可調(diào)；3、掃描電源和微電流放大器掃描電源提供可調(diào)直流電壓或輸出鋸齒波電壓作為F-H管電子加速電壓。直流電壓供手動(dòng)測(cè)量，鋸齒波電

3、壓供示波器顯示，X-Y記錄儀和微機(jī)用。微電流放大器用來檢測(cè)F-H管的板流。性能如下： a具有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”兩種掃描方式：“手動(dòng)”輸出直流電壓，090V，連續(xù)可調(diào)；“自動(dòng)”輸出090V鋸齒波電壓，掃描上限可以設(shè)定。 b掃描速率分“快速”和“慢速”兩檔：“快速”是周期約為20 鋸齒波，供示波器和微機(jī)用；“慢速”是周期約為0.5的鋸齒波，供X-Y記錄儀用。c微電流放大測(cè)量范圍為，A四檔。4、夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)值和分別用三位半數(shù)字表頭顯示。另設(shè)端口供示波器，X-Y記錄儀，及微機(jī)顯示或者直接記錄曲線的各種信息。5、面板及功能1.顯示表頭（表頭示值2）指示擋后為實(shí)際值）；2.微電流放大器量程選擇開關(guān)，分、

4、四檔；3.數(shù)字電壓表頭（與8）相關(guān)，可以分別顯示、值，其中值為表頭示值）；4.電壓調(diào)節(jié)旋鈕；5.電壓調(diào)節(jié)旋鈕；6.電壓調(diào)節(jié)旋鈕；7.電壓調(diào)節(jié)旋鈕；8.電壓示值選擇開關(guān)，可以分別選擇、；9.輸出端口，接示波器Y端，X-Y記錄儀Y端或者微機(jī)接口的電流輸入端；10.掃描速率選擇開關(guān)，“快速”檔供接示波器觀察曲線或微機(jī)用，“慢速”檔供X-Y記錄儀用；11.掃描方式選擇開關(guān)，“自動(dòng)”檔供示波器，X-Y記錄儀或微機(jī)用，“手動(dòng)”檔供手測(cè)記錄數(shù)據(jù)使用；12.輸出端口，接示波器X端， X-Y記錄儀X端，或微機(jī)接口電壓輸入用；13.電源開關(guān)。三、儀器使用說明1、示波器演示法a連好主機(jī)后面板電源線，用Q9線將主機(jī)正

5、面板上 “輸出”與示波器上的“X相”（供外觸發(fā)使用）相連，“輸出”與示波器“Y相”相連； b將掃描開關(guān)置于“自動(dòng)”檔，掃描速度開關(guān)置于“快速”檔，微電流放大器量程選擇開關(guān)置于“”；c分別將“”、“”電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至“”和“”，“”調(diào)至“”，“”全部打到“”；d分別開啟主機(jī)和示波器電源開關(guān)，稍等片刻；e分別調(diào)節(jié)、電壓（可以先參考給出值）至合適值，將由小慢慢調(diào)大（以F-H管不擊穿為界），直至示波器上呈現(xiàn)充氬管穩(wěn)定的曲線；2、手動(dòng)測(cè)量法a調(diào)節(jié)至最小，掃描開關(guān)置于“手動(dòng)”檔，打開主機(jī)電源；b選取合適的實(shí)驗(yàn)條件，置、于適當(dāng)值，用手動(dòng)方式逐漸增大，同時(shí)觀察變化。適當(dāng)調(diào)整預(yù)置、值，使由小到大能夠出現(xiàn)5個(gè)以上

6、峰。c選取合適實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，分別由數(shù)字表頭讀取和值，作圖可得曲線，注意示值和實(shí)際值關(guān)系。例：表頭示值為“”，電流量程選擇“”檔，則實(shí)際測(cè)量電流值應(yīng)該為“”；表頭示值為“”，實(shí)際值為“”。四、注意事項(xiàng)1、儀器應(yīng)該檢查無誤后才能接電源，開關(guān)電源前應(yīng)先將各電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最小值位置。2、燈絲電壓不宜放得過大，一般在2V左右，如電流偏小再適當(dāng)增加。3、要防止F-H管擊穿（電流急劇增大），如發(fā)生擊穿應(yīng)立即調(diào)低 以免F-H管受損。4、F-H管為玻璃制品不耐沖擊應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)。5、實(shí)驗(yàn)完畢，應(yīng)將各電位器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最小值位置。五、儀器配置主機(jī)（包括F-H管，掃描電源，微電流放大器等） 1臺(tái)示波器 1臺(tái)（選配）微機(jī)接

7、口 1臺(tái)（選配）電源線 1根Q9線 1根使用說明書 1份夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)概述1914年，夫蘭克和赫茲在研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子與原子間相互作用時(shí)，在充汞的放電管中，發(fā)現(xiàn)透過汞蒸氣的電子流隨電子的能量顯現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化，能量間隔為。同一年，使用石英制作的充汞管，拍攝到與能量相應(yīng)的光譜線253.7nm 的發(fā)射光譜。對(duì)此，他們提出了原子中存在“臨界電勢(shì)”的概念：當(dāng)電子能量低于與臨界電勢(shì)相應(yīng)的臨界能量時(shí)，電子與原子的碰撞是彈性的；而當(dāng)電子能量達(dá)到這一臨界能量時(shí)，碰撞過程由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑椥裕娮影堰@份特定的能量轉(zhuǎn)移給原子，使之受激；原子退激時(shí)，再以特定頻率的光量子形式輻射出來。1920年，夫

8、蘭克及其合作者對(duì)原先的裝置做了改進(jìn)，提高了分辨率，測(cè)得了亞穩(wěn)能級(jí)和較高的激發(fā)能級(jí)，進(jìn)一步證實(shí)了原子內(nèi)部能量是量子化的。1925年，夫蘭克和赫茲共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。通過這一實(shí)驗(yàn)，可以了解夫蘭克和赫茲研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子與原子間相互作用的實(shí)驗(yàn)思想和方法，電子與原子碰撞的微觀過程是怎樣與實(shí)驗(yàn)中的宏觀量相聯(lián)系的，并可以用于研究原子內(nèi)部的能量狀態(tài)與能量交換的微觀過程。二、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)玻爾理論，原子只能較長(zhǎng)久地停留在一些穩(wěn)定狀態(tài)（即定態(tài)），其中每一狀態(tài)對(duì)應(yīng)于一定的能量值，各定態(tài)的能量是分立的，原子只能吸收或輻射相當(dāng)于兩定態(tài)間能量差地能量。如果處于基態(tài)的原子要發(fā)生狀態(tài)改變，所具備的能量不能少于原

9、子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)時(shí)所需要地能量。夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)是通過具有一定能量的電子與原子碰撞，進(jìn)行能量交換而實(shí)現(xiàn)原子從基態(tài)到高能態(tài)地躍遷。電子與原子碰撞過程可以用以下方程表示：；其中是電子質(zhì)量，是原子質(zhì)量，是電子的碰撞前的速度，是原子的碰撞前的速度，是電子的碰撞后速度，是原子的碰撞后速度，為內(nèi)能項(xiàng)。因?yàn)?，所以電子的?dòng)能可以轉(zhuǎn)變?yōu)樵拥膬?nèi)能。因?yàn)樵拥膬?nèi)能是不連續(xù)的，所以電子的動(dòng)能小于原子的第一激發(fā)態(tài)電位時(shí)，原子與電子發(fā)生彈性碰撞；當(dāng)電子的動(dòng)能大于原子的第一激發(fā)態(tài)電位時(shí)，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為原子的內(nèi)能，為原子的第一激發(fā)電位。夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，充氬氣的夫蘭克赫茲管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極和柵

10、極之間的加速電壓使電子加速，在板極和柵極之間有減速電壓。當(dāng)電子通過柵極進(jìn)入空間時(shí)，如果能量大于，就能到達(dá)板極形成電流。電子在空間與氬原子發(fā)生了彈性碰撞，電子本身剩余的能量小于，則電子不能到達(dá)板極，板極電流將會(huì)隨著柵極電壓的增加而減少。實(shí)驗(yàn)時(shí)使逐漸增加，觀察板極電流的變化將得到如圖2所示的曲線。隨著的增加，電子的能量增加，當(dāng)電子與氬原子碰撞后仍留下足夠的能量，可以克服空間的減速電場(chǎng)而到達(dá)板極時(shí)，板極電流又開始上升。如果電子在加速電場(chǎng)得到的能量等于時(shí)，電子在空間會(huì)因二次非彈性碰撞而失去能量，結(jié)果板極電流第二次下降。在加速電壓較高的情況下，電子在運(yùn)動(dòng)過程中，將與氬原子發(fā)生多次非彈性碰撞，在關(guān)系曲線上

11、就表現(xiàn)為多次下降。對(duì)氬來說，曲線上相鄰兩峰（或谷）之間的之差，即為氬原子的第一激發(fā)電位。這即證明了氬原子能量狀態(tài)的不連續(xù)性。三、實(shí)驗(yàn)儀器夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)儀 1臺(tái)示波器 1臺(tái)電源線 1根線 2根四、實(shí)驗(yàn)過程1、別用線將主機(jī)正面板上“輸出”和“輸出”與示波器上的“”和“”相連，將電源線插在主機(jī)后面板的插孔內(nèi)，打開電源開關(guān)；2、把掃描開關(guān)調(diào)至“自動(dòng)”檔，掃描速度開關(guān)調(diào)至“快速”，把 電流增益波段開關(guān)撥至“”；、3、打開示波器的電源開關(guān)，并分別將“”、“”電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至“”和“”，“”調(diào)至“”，“”全部打到“”；4、分別調(diào)節(jié)、電壓至主機(jī)上部廠商標(biāo)定數(shù)值，將調(diào)節(jié)至最大，此時(shí)可以在示波器上觀察到穩(wěn)定的氬的

12、曲線；5、將掃描開關(guān)撥至“手動(dòng)”檔，調(diào)節(jié)至最小，然后逐漸增大其值，尋找值的極大和 極小值點(diǎn)，以及相應(yīng)的值，即找出對(duì)應(yīng)的極值點(diǎn)（，），也即關(guān)系曲線中波峰和波谷的位置，相臨波峰或波谷的橫坐標(biāo)之差就是氬的第一激發(fā)電位；（注：實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)時(shí)，電流值為表頭示值“”，；實(shí)際測(cè)量值為：表頭示值）6、每隔記錄一組數(shù)據(jù)，列出表格，然后描畫氬的關(guān)系曲線圖。五、實(shí)驗(yàn)記錄1、數(shù)據(jù)記錄（實(shí)驗(yàn)中可以在波峰和波谷位置周圍多記錄幾組數(shù)據(jù)，以提高測(cè)量精度）：（）（）（）（）（）（）（）（）15.00.435.017.355.052.575.028.116.01.136.013.756.054.076.040.517.01.83

13、7.010.457.050.377.054.118.02.138.09.458.041.178.065.919.02.439.013.659.028.279.073.920.03.140.019.860.014.980.078.221.04.641.026.461.08.481.076.922.05.542.032.562.014.282.071.223.06.043.035.963.025.783.059.524.06.344.037.364.039.284.044.425.06.145.035.665.051.585.029.226.05.946.030.566.060.086.022.627.07.147.023.167.066.687.028.228.09.748.014.968.068.488.039.629.013.249.08.869.064.989.052.430.016.150.011.770.055.290.064.331.018.551.021.671.040.391.073.232.019.852.031.272.023.992.082.133.020.053.043.073.013.393.085.234.019.254.048.074.016.294.