夫蘭克-赫茲實驗報告

第1章儀器介紹LB-FH型夫蘭克-赫茲實驗儀是用“慢〞電子與稀薄氣體原子碰撞的方法，使原子從低能級激發(fā)到高能級，并通過電子和原子碰撞時交換出某一定值的能量，測量氬原子的激發(fā)電位，觀察其特殊的伏安特性現(xiàn)象。研究原子能級的量子特性，直接證明了玻爾的量子理論。該儀器可以用點測法實驗外還可以用示波器直接觀察。使用點測法，實驗過程中逐點測量，手繪譜峰曲線，動手動腦，可以增加學生對實驗的體驗和了解；用示波器直接觀察，通過普通示波器動態(tài)顯示譜峰曲線形成過程，直接觀察譜峰曲線，方便、明了。儀器面板設計新穎，實驗控制過程采用圖板標識方式，數(shù)據(jù)盡數(shù)顯示。適用于演示和教學實驗，實驗直觀、無須切換，特別預留數(shù)據(jù)采集同步輸出，可升級為用計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理的高檔夫蘭克-赫茲實驗儀。工作條件：環(huán)境溫度：0～40℃相對濕度：≤85%〔40℃工作電源：AC220V±10%，50Hz輸出功率：≤15W連續(xù)工作時間：8h技術(shù)參數(shù)：充氬夫蘭克-赫茲管，不需加熱。分辨率：電壓0.1V，微電流10-9動態(tài)顯示：普通示波器直接觀察，直觀演示實驗過程的動態(tài)譜峰。面板設計新穎：儀器工作采用圖板標識，實驗數(shù)據(jù)無須切換，以數(shù)字表全部展現(xiàn)。工作方式廣：手動、半自動實驗方式齊全，預留升級空間。夫蘭克-赫茲管：管子氬管結(jié)構(gòu)4級壽命≥3000h工作電壓：燈絲電壓(UH):0～5V±1%一柵電壓(UG1K):0～5V±1%二柵電壓(UG2K):0～120V±1%拒斥電壓(UG2A):0～15V±1%數(shù)顯工作電壓UD：5V±1%鋸齒波參數(shù)鋸齒波掃描幅度：≥100VPP鋸齒波掃描頻率：100±2%Hz10)電流測量：測量范圍：10-6～10-9A三位半數(shù)字顯示11)觀察譜峰數(shù)點測譜峰〔谷〕數(shù)≥8示波器觀察譜峰〔谷〕數(shù)≥7第2章目的與原理實驗目的：研究原子能級與夫蘭克-赫茲管中電流變化的規(guī)律；2〕通過測定汞原子或氬原子等元素的第一激發(fā)電勢來了解和證明原子能級的存在；實驗原理：本儀器采用1只充氬氣的四極管，其工作原理圖如下：當燈絲〔H〕點燃后，陰極〔K〕被加熱，陰極上的氧化層即有電子逾出〔發(fā)射電子〕，為消除空間電荷對陰極散射電子的影響，要在第一柵極〔G1〕、陰極之間加上一電壓UG1K〔一柵、陰電壓〕。如果此時在第二柵極〔G2〕、陰極間也加上一電壓UG2K〔二柵、陰電壓〕，發(fā)射的電子在電場的作用下將被加速而取得越來越大的能量。起始階段，由于較低，電子的能量較小，即使在運動過程中與電子相碰撞〔為彈性碰撞〕只有微小的能量交換。這樣，穿過2柵的電子到達陽極〔A〕[也慣稱板極]所形成的電流〔IA〕板流〔習慣叫法，即陽極電流〕將隨2柵的電壓UG2K的增加而增大，當UG2K到達氬原子的第一激發(fā)電位〔11.8V〕時，電子在2柵附近與氬原子相碰撞〔此時產(chǎn)生非彈性碰撞〕。電子把加速電場獲得的全部能量傳遞給了氬原子，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2柵極，也不能克服反向拒斥電場而被折回2柵極。所以板極電流IA將顯著減小，以后隨著二柵電壓UG2K的增加，電子的能量也隨著增加，與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量。這又可以克服拒斥電場的作用力而到達陽極，這時IA又開始上升，直到UG2K是2倍氬原子的第一激發(fā)電位時，電子在G2和K之間又會因為第2次非彈性碰撞而失去能量，因而又造成第2次IA的下降，這種能量轉(zhuǎn)移隨著UG2K增加而IA周期性變化，假設以UG2K為橫坐標，以IA為縱坐標就可以得到一譜峰曲線，譜峰曲線兩相鄰峰尖〔或谷點〕間的UG2K電壓差值，即為氬原子的第一激發(fā)電位值。從這個實驗說明了夫蘭克-赫茲管內(nèi)的緩慢電子與氬原子相碰撞，使原子從低能級激發(fā)到高能級，并通過測量氬原子的激發(fā)電位值，說明了玻爾——原子能級的存在。第3章實驗內(nèi)容及步驟有三種觀測方法可供選擇：示波器測量、手動測量和計算機采集觀測，下面分別表達。表達中請參看下列圖中顯示的儀器面板介紹。前面板后面板示波器測量1、插上電源，撥動電源開關(guān)。2、將手動-自動檔切換開關(guān)置于“自動〞。3、先將燈絲電壓VH、控制柵電壓VG1K〔陰極到第一柵極電壓UG1K〕、拒斥電壓VG2A〔陽極到第二柵極電壓UG2A〕緩慢調(diào)節(jié)到儀器機箱上所貼的“出廠檢驗參考參數(shù)〞。預熱10分鐘，此過程中可能各參數(shù)會有小的波動，請微調(diào)各旋鈕到初設值。4、將儀器上“同步信號〞與示波器的“同步信號〞相連，“Y〞與示波器的“Y〞通道相連?！癥增益〞一般置于0.1V 檔；“時基〞一般置于0.5ms檔，此時示波器上顯示出夫蘭克-赫茲曲線。5、調(diào)節(jié)“時基微調(diào)〞旋鈕，使一個掃描周期正好布滿示波器的十格。本儀器掃描電壓最大為120V，量出兩相鄰峰或兩相鄰谷的距離〔讀出格數(shù)〕，多測幾組算出平均值乘以12V每格，即為氬氣原子的第一激發(fā)電位的值。6、將示波器切換到X－Y顯示方式，并將儀器的“X〞與示波器的“X〞通道相連，儀器的“Y〞與示波器的“Y〞通道相連，調(diào)節(jié)“X〞通道增益，使整個波形在X方向上滿10格，即每格代表12V，量出兩相鄰峰或兩相鄰谷的距離〔讀出格數(shù)〕，多測幾組算出平均值乘以12V每格，即為氬氣原子的第一激發(fā)電位的值。7、本儀器上所貼“出廠檢驗參考數(shù)據(jù)〞僅作參考，如波形不好看，請微調(diào)各電壓旋扭。如需改變燈絲電壓，改變后請等波形穩(wěn)定后再測量。〔各電壓對波形的影響參考附錄〕手動測量1、插上電源，撥動電源開關(guān)。2、將手動-自動檔切換開關(guān)置于“手動〞，微電流倍增開關(guān)置于10-9檔。3、先將燈絲電壓VH、控制柵電壓VG1K〔陰極到第一柵極電壓UG1K〕、拒斥電壓VG2A〔陽極到第二柵極電壓UG2A〕緩慢調(diào)節(jié)到儀器機箱上所貼的“出廠檢驗參考參數(shù)〞。預熱10分鐘，此過程中可能各參數(shù)會有小的波動，請微調(diào)各旋鈕到初設值。4、旋轉(zhuǎn)UG2K調(diào)節(jié)旋鈕，測定曲線。使柵極電壓逐漸增加，每增加0.5v或者1v，記錄相應的電壓、電流值，隨著UG2K〔加速電壓〕的增加，陽極電流表的值出現(xiàn)周期性峰值谷值，要特別注意電流峰值〔和谷值〕所對應的電壓，在峰值和谷值前后附近最好多測幾點，以便找到準確的峰值。以陽極電流為縱坐標第二柵電壓為橫坐標，作出譜峰曲線。測量時電流需要時間去穩(wěn)定，這是因為電流值很小，是正?，F(xiàn)象，改變電壓一定要緩慢，否那么電流穩(wěn)定時間將變長。5、根據(jù)所取數(shù)據(jù)點，列表作圖，并讀取相鄰電流峰值對應的電壓，用逐差法計算出氬原子第一激發(fā)電位的平均值。6、在實驗完畢后，請勿長時間將UG2K置于最大值，應將其按逆時鐘方向旋轉(zhuǎn)至最小值。附錄：各電壓對波形曲線的影響燈絲電壓VH燈絲溫度對陰極的發(fā)射系數(shù)有很大影響，陰極發(fā)射出的電子速度分布和陰極溫度有關(guān)，當燈絲電壓很小時，單位時間內(nèi)陰極發(fā)射出的電子數(shù)很少，此時陽極電流很小，看不到陽極電流的大小起伏變化，所以波形曲線上我們看不出波峰波谷。隨著燈絲電壓增大，陽極電流增大，且根本上呈指數(shù)上升，類似于二極管中熱電子發(fā)射的理查遜定律，波形曲線的起伏很大，陽極電流的波峰波谷越來越明顯，但對相鄰峰谷位差沒有影響。如果燈絲電壓太大，本底電流上升，也容易使陰極受熱沒，使陰極發(fā)射物質(zhì)因蒸發(fā)太快而剝落，管子易于老化，影響其使用壽命，并且如果燈絲電壓太大，手動測量時，電流容易溢出測量范圍，所以燈絲電壓不宜選擇過大。控制柵極電壓VG1K由于電子的動能大局部用來克服逸出功，剩余的動能很小，也就是說電子的初速度很小，堆積在陰極附近，形成空間電荷層，其電勢低于燈絲電勢，稱為空間電荷效應，該空間電場會把帶負電的電子拉回去，抑制電子發(fā)射。在第一柵極上加上小的正向電壓，可以用來驅(qū)散陰極電子發(fā)射的影響，提高發(fā)射效率。當控制刪電壓很小時，空間電荷效應明顯，發(fā)射電子數(shù)量較少，因此陽極電流很小，波峰和波谷的差距很小，隨著控制柵電壓的增大，陽極電流總體上升，且峰谷明顯。但當電子的發(fā)射到達飽和時，空間電荷隊電子的發(fā)射限制作用消失，此時如果繼續(xù)增大控制柵電壓，陽極電流反而減小，并且峰谷間的差距也逐漸減小，所以存在最正確的控制柵電壓?？刂齐妷旱拇笮τ谙噜彶ǚ宓牟钪禌]有影響。拒斥電壓VG2A拒斥電壓使第二柵極處的能量較低的電子不能到達極板，拒斥電壓越大能夠到達陽極的電子數(shù)越少，陽極電流越小。拒斥電壓很小時，波峰波谷的差距不明顯，隨著拒斥電壓的增大，波峰與波谷的差距明顯，同時陽極電流整體下降，當拒斥電壓到一定值時，由于陽極電流的整體下降，導致波峰與波谷的差距變小，如果繼續(xù)增大拒斥電壓，陽極電流可能出現(xiàn)負值，這是應為電子與氬原子發(fā)生屢次彈性碰撞后，所剩能量很小，不能克服拒斥電壓到達陽極并形成電流。隨著拒斥電壓的增大，峰值位置增大，但是峰與峰之間的距離沒有發(fā)生變化。數(shù)據(jù)處理手動測量處理數(shù)據(jù)記錄第一激發(fā)電勢測量測試條件：VH=V；VG1K=V；VG2A=V;序號123456被測量峰值谷值峰值谷值峰值谷值峰值谷值峰值谷值峰值谷值VG2/VIA/nA其它補充點的測量數(shù)據(jù)：VG2/VIA/nA根據(jù)上面表格中的測量數(shù)據(jù)，用描點作圖法畫出IA-VG2的曲線；利用逐差法計算氣體原子第一激發(fā)電勢氣體原子第一激發(fā)電勢：。計算機采集需另配數(shù)據(jù)記錄儀和相應的軟件。請看下一章的說明?？记绊氈獙嶒為_始前應檢查所有電源的調(diào)節(jié)旋鈕是否反時針旋到底，尤其必須將VG2K旋鈕反時針旋到底后，再開電源。實驗結(jié)束后應先把VG2K旋鈕反時針旋到底后再將其他電源的調(diào)節(jié)旋鈕反時針旋到底后再關(guān)機。實驗中〔手動測量〕電壓加到60V以后，增加UG2K時增加的速率應減緩同時注意IA的變化，當電流表的指示驟然上升是應立即關(guān)機，以免引發(fā)管子擊穿。5分鐘后再按上述方法重新開機。實驗過程中如要改變VH、VG1K、VG2A時，必須將VG2K旋鈕反時針旋到底后進行。各臺儀器的夫蘭克-赫茲管參數(shù)有所差異，尤其是燈絲電壓。推薦使用參考電壓，假設發(fā)現(xiàn)波形上端切頂，那么陽極輸出過大，引起失真，應減小燈絲電壓VH；假設發(fā)現(xiàn)底端截止，那么提高VG1K、VG2A有時須屢次調(diào)節(jié)VG1K、VG2A才可獲得較理想的波形。第4章實驗數(shù)據(jù)記錄儀〔微機接口〕的使用聯(lián)接：實驗數(shù)據(jù)記錄儀與LB-FH型夫蘭克-赫茲實驗儀之間通過2根Q9信號線分別接收從夫蘭克-赫茲實驗儀中傳來的IA與VG2信號，經(jīng)過處理后再用COM線聯(lián)接到計算機的COM1或COM2口，然后就可以利用計算機來觀察Ip-VG2曲線了。軟件說明：翻開：只能翻開本實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；保存，另存為：存貯的數(shù)據(jù)格式為".dat"文件，存貯時文件名稱后應加".dat"；打印：是按照16開紙格式設計，能打印出學生情況欄、日期和實驗圖；放大，縮小：按照學生實驗要求，即單位刻度只能是1、2、5和它們的10的次方倍；原始大小：是默認的顯示比例；擦除：去除所做的實驗數(shù)據(jù)，并提醒是否要保存；運行：開始采集實驗數(shù)據(jù)；停止：實驗數(shù)據(jù)采集結(jié)束，并可以通過鼠標讀出實驗數(shù)據(jù)；繼續(xù)：實驗數(shù)據(jù)采集暫停后，可以繼續(xù)采集；暫停：實驗可以中途中斷數(shù)據(jù)采集；重新開始：指實驗回到剛開始狀態(tài)，并提醒是否存貯實驗數(shù)據(jù)；COM1，COM2：實驗采集的兩個輸入口，默認為COM1，它們的數(shù)據(jù)分別暫時存貯在"d:\fulanke1.dat"和"d:\fulanke2.dat"；幫助：提供夫蘭克---赫茲實驗接口軟件的使用說明。實驗步驟：用鼠標點擊“運行〞按鈕，會出現(xiàn)COM接口的提示框，根據(jù)夫蘭克—赫茲儀與計算機接口的連接選擇“COM1〞或“COM2〞接口。待屏幕上Ip-VG2的曲線比擬清楚時，(如下列圖中的曲線),按下“停止〞按鈕停止采集。將鼠標點擊曲線上各峰、谷點或其它點的位置，即可從屏幕上得知各有關(guān)點的Ip和VG2值。記錄到表中，并進行數(shù)據(jù)處理。用手動調(diào)節(jié)VG2采集數(shù)據(jù)〔這樣Ip-VG2的曲線比擬清晰〕：先將掃描開關(guān)撥至“手動〞，再將VG2電壓調(diào)至最小，用鼠標點擊“運行〞按鈕，會出現(xiàn)C