弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容2篇

1/1弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容最新2篇

弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告篇一儀器

弗蘭克赫茲管（簡(jiǎn)稱FH管）、加熱爐、溫控裝置、FH管電源組、掃描電源和微電流放大器、微機(jī)XY記錄儀。

FH管是特別的充汞四極管，它由陰極、第一柵極、第二柵極及板極組成。為了使FH管內(nèi)保持一定的汞蒸氣飽和蒸氣壓，實(shí)驗(yàn)時(shí)要把FH管置于控溫加熱爐內(nèi)。加熱爐的溫度由控溫裝置設(shè)定和控制。爐溫高時(shí)，F(xiàn)H管內(nèi)汞的飽和蒸氣壓高，平均自由程較小，電子碰撞汞原子的概率高，一個(gè)電子在兩次與汞原子碰撞的間隔內(nèi)不會(huì)因柵極加速電壓作用而積累較高的能量。溫度低時(shí)，管內(nèi)汞蒸氣壓較低，平均自由程較大，因而電子在兩次碰撞間隔內(nèi)有可能積累較高的能量，受高能量的電子轟擊，就可能引起汞原子電離，使管內(nèi)出現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象。輝光放電會(huì)降低管子的使用壽命，實(shí)驗(yàn)中要注意防止。

FH管電源組用來(lái)提供FH管各極所需的工作電壓。其中包括燈絲電壓UF，直流1V~5V連續(xù)可調(diào)；第一柵極電壓UG1，直流0~5V連續(xù)可調(diào)；第二柵極電壓UG2，直流0~15V連續(xù)可調(diào)。

掃描電源和微電流放大器，提供0~90V的手動(dòng)可調(diào)直流電壓或自動(dòng)慢掃描輸出鋸齒波電壓，作為FH管的加速電壓，供手動(dòng)測(cè)量或函數(shù)記錄儀測(cè)量。微電流放大器用來(lái)檢測(cè)FH管的板流，其測(cè)量范圍為10^8A、10^7A、10^6A三擋。

微機(jī)XY記錄儀是基于微機(jī)的集數(shù)據(jù)采集分析和結(jié)果顯示為一體的儀器。供自動(dòng)慢掃描測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)采集、圖像顯示及結(jié)果分析用。

原理

玻爾的原子理論指出:①原子只能處于一些不連續(xù)的能量狀態(tài)E1、E2，處在這些狀態(tài)的原子是穩(wěn)定的，稱為定態(tài)。原子的能量不論通過(guò)什么方式發(fā)生改變，只能是使原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)；②原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，它將發(fā)射或吸收輻射的頻率是一定的。如果用Em和En分別代表原子的兩個(gè)定態(tài)的能量，則發(fā)射或吸收輻射的頻率由以下關(guān)系決定:

hv=|EmEn|

式中:h為普朗克常量。

原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，也可以通過(guò)具有一定能量的電子與原子相碰撞進(jìn)行能量交換來(lái)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)即讓電子在真空中與汞蒸氣原子相碰撞。設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E1，第一激發(fā)態(tài)的能量為E2，從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量就是E2E1。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eU，若eU小于E2E1這份能量，則電子與汞原子只能發(fā)生彈性碰撞，二者之間幾乎沒(méi)有能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)電子的能量eUE2E1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E2E1的那一份，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。設(shè)使電子具有E2E1能量所需加速電場(chǎng)的電位差為U0，則

eu0=E2E1

式中:U0為汞原子的第一激發(fā)電位（或中肯電位），是本實(shí)驗(yàn)要測(cè)的物理量。

實(shí)驗(yàn)方法是，在充汞的FH管中，電子由熱陰極發(fā)出，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓UG2K使電子加速。第一柵極對(duì)電子加速起緩沖作用，避免加速電壓過(guò)高時(shí)將陰極損傷。在板極P和G2間加反向拒斥電壓UpG2。當(dāng)電子通過(guò)KG2空間，如果具有較大的能量（eUpG2）就能沖過(guò)反向拒斥電場(chǎng)而達(dá)到板極形成板流，被微電流計(jì)pA檢測(cè)出來(lái)。如果電子在KG2空間因與汞原子碰撞，部分能量給了汞原子，使其激發(fā)，本身所剩能量太小，以致通過(guò)柵極后不足以克服拒斥電場(chǎng)而折回，通過(guò)電流計(jì)pA的電流就將顯著減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使柵極電壓UG2K由零逐漸增加，觀測(cè)pA表的板流指示，就會(huì)得出如圖2所示Ip~UG2K關(guān)系曲線。它反映了汞原子在KG2空間與電子進(jìn)行能量交換的情況。當(dāng)UG2K逐漸增加時(shí)，電子在加速過(guò)程中能量也逐漸增大，但電壓在初升階段，大部分電子達(dá)不到激發(fā)汞原子的動(dòng)能，與汞原子只是發(fā)生彈性碰撞，基本上不損失能量，于是穿過(guò)柵極到達(dá)板極，形成的板流Ip隨UG2K的增加而增大，如曲線的oa段。當(dāng)UG2K接近和達(dá)到汞原子的第一激發(fā)電位U0時(shí)，電子在柵極附近與汞原子相碰撞，使汞原子獲得能量后從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)。碰撞使電子損失了大部分動(dòng)能，即使穿過(guò)柵極，也會(huì)因不能克服反向拒斥電場(chǎng)而折回柵極。所以Ip顯著減小，如曲線的ab段。當(dāng)UG2K超過(guò)汞原子第一激發(fā)電位，電子在到達(dá)柵極以前就可能與汞原子發(fā)生非彈性碰撞，然后繼續(xù)獲得加速，到達(dá)柵極時(shí)積累起穿過(guò)拒斥電場(chǎng)的能量而到達(dá)板極，使電流回升（曲線的bc段）。直到柵壓UG2K接近二倍汞原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在KG2間又會(huì)因兩次與汞原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥電場(chǎng)，使板流第二次下降（曲線的cd段）。同理，凡處，Ip都會(huì)下跌，形成規(guī)則起伏變化的Ip~UG2K曲線。而相鄰兩次板流Ip下降所對(duì)應(yīng)的柵極電壓之差，就是汞原子的第一激發(fā)電位U0。

處于第一激發(fā)態(tài)的汞原子經(jīng)歷極短時(shí)間就會(huì)返回基態(tài)，這時(shí)應(yīng)有相當(dāng)于eU0的能量以電磁波的形式輻射出來(lái)。由式得

eU0=h=hc/

式中:c為真空中的光速；為輻射光波的波長(zhǎng)。

利用光譜儀從FH管可以分析出這條波長(zhǎng)=253.7的紫外線。

附:幾種常見(jiàn)元素的第一激發(fā)電勢(shì)

元素

鈉

鉀

鋰

鎂

汞

氦

氖

U0/V

2.12

1.63

1.84

3.2

4.9

21.2

18.6

實(shí)驗(yàn)要求

1)測(cè)繪FH管Ip~UG2K曲線，確定汞原子的第一激發(fā)電位

（1）加熱爐加熱控溫。將溫度計(jì)棒插入爐頂小孔，溫度計(jì)棒上有一固定夾用來(lái)調(diào)節(jié)此棒插入爐中的深度，固定夾的位置已調(diào)整好，溫度計(jì)棒插入小孔即可。溫度計(jì)棒尾端電纜線連接到傳感器專用插頭上，將此傳感器插頭插入控溫儀后面板專用插座上。接通控溫電源，調(diào)節(jié)控溫旋鈕，設(shè)定加熱溫度（本實(shí)驗(yàn)約180℃），讓加熱爐升溫30min，待溫控繼電器跳變時(shí)（指示燈同時(shí)跳變）已達(dá)到預(yù)定的爐溫。

（2）測(cè)量FH管的Ip~UG2K曲線。實(shí)驗(yàn)儀的整體連接可參考圖3，將電源部分的UF調(diào)節(jié)電位器、掃描電源部分的手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器旋鈕旋至最小（逆時(shí)針?lè)较颍?。掃描選擇置于手動(dòng)擋。微電流放大器量程可置于107A或108A擋（對(duì)充汞管）。待爐溫到達(dá)預(yù)定溫度后，接通兩臺(tái)儀器電源。根據(jù)提供的FH管參考工作電壓數(shù)據(jù)，分別調(diào)節(jié)好UF、UG1、UG2，預(yù)熱3~5min。

手動(dòng)工作方式測(cè)量。緩慢調(diào)節(jié)手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器，增大加速電壓，并注意觀察微電流放大器出現(xiàn)的峰谷電流信號(hào)。加速電壓達(dá)到50V~60V時(shí)約有10個(gè)峰出現(xiàn)。在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)加速電壓加到較大時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電流表突然大幅度量程過(guò)載，應(yīng)立即將加速電壓減少到零，然后檢查燈絲電壓是否偏大，或適當(dāng)減小燈絲電壓（每次減小0.1V~0.2V為宜）再進(jìn)行一次全過(guò)程測(cè)量。逐點(diǎn)測(cè)量Ip~UG2K的變化關(guān)系，然后，取適當(dāng)比例在毫米方格紙上作出Ip~UG2K曲線。從曲線上確定出Ip的各個(gè)峰值和谷值所對(duì)應(yīng)的兩組UG2K值，把兩組數(shù)據(jù)分別用逐差法求出汞原子的第一激發(fā)電位U0的兩個(gè)值再取平均，并與標(biāo)準(zhǔn)值4.9V比較，求出百分差。若在全過(guò)程測(cè)量中，電流表指示偏小，可適當(dāng)加大燈絲電壓（每次增大0.1V~0.2V為宜）

自動(dòng)掃描方式測(cè)量。將手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器旋到零，函數(shù)記錄儀先不通電，調(diào)節(jié)自動(dòng)上限電位器，設(shè)定鋸齒波加速電壓的上限值?？上葘㈦娢黄髂鏁r(shí)針?lè)较蛐阶钚。藭r(shí)輸出鋸齒波加速電壓的上限值約為50V，然后將掃描選擇開(kāi)關(guān)撥到自動(dòng)位置。當(dāng)輸出鋸齒波加速電壓時(shí)，從電流表觀察到峰谷信號(hào)。鋸齒波掃描電壓達(dá)到上限值后，會(huì)重新回復(fù)零，開(kāi)始一次新的掃描。在數(shù)字電壓表、電流表上觀察到正常的自動(dòng)掃描及信號(hào)后，可采用函數(shù)記錄儀記錄。記錄儀的X輸入量程可置于5V/cm檔，Y輸入量程可按電流信號(hào)大小來(lái)選擇，一般可先置于0.1V/cm檔。開(kāi)啟記錄儀，即可繪出完整的Ip變化曲線。

注意事項(xiàng)

（1）實(shí)驗(yàn)裝置使用220V交流單相電源，電源進(jìn)線中的地線要接觸良好，以防干擾和確保安全。

（2）函數(shù)記錄儀的X輸入負(fù)端不能與Y輸入的負(fù)端連接，也不能與記錄儀的地線（）連接，否則要損壞儀器。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若產(chǎn)生電離擊穿（即電流表嚴(yán)重過(guò)載現(xiàn)象）時(shí)，要