夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)報(bào)告

第1章儀器介紹LB-FH型夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)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(jí)激發(fā)到高能級(jí)，并通過(guò)電子和原子碰撞時(shí)交換出某一定值的能量，測(cè)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(jí)的量子特性，直接證明了玻爾的量子理論。該儀器可以用點(diǎn)測(cè)法實(shí)驗(yàn)外還可以用示波器直接觀察。使用點(diǎn)測(cè)法，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐點(diǎn)測(cè)量，手繪譜峰曲線，動(dòng)手動(dòng)腦，可以增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)和了解；用示波器直接觀察，通過(guò)普通示波器動(dòng)態(tài)顯示譜峰曲線形成過(guò)程，直接觀察譜峰曲線，方便、明了。儀器面板設(shè)計(jì)新穎，實(shí)驗(yàn)控制過(guò)程采用圖板標(biāo)識(shí)方式，數(shù)據(jù)盡數(shù)顯示。適用于演示和教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)直觀、無(wú)須切換，特別預(yù)留數(shù)據(jù)采集同步輸出，可升級(jí)為用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理的高檔夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀。工作條件：環(huán)境溫度：0～40℃相對(duì)濕度：≤85%〔40℃工作電源：AC220V±10%，50Hz輸出功率：≤15W連續(xù)工作時(shí)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(dòng)態(tài)顯示：普通示波器直接觀察，直觀演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)譜峰。面板設(shè)計(jì)新穎：儀器工作采用圖板標(biāo)識(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)須切換，以數(shù)字表全部展現(xiàn)。工作方式廣：手動(dòng)、半自動(dòng)實(shí)驗(yàn)方式齊全，預(yù)留升級(jí)空間。夫蘭克-赫茲管：管子氬管結(jié)構(gòu)4級(jí)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(cè)量：測(cè)量范圍：10-6～10-9A三位半數(shù)字顯示11)觀察譜峰數(shù)點(diǎn)測(cè)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(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯吭幽芗?jí)與夫蘭克-赫茲管中電流變化的規(guī)律；2〕通過(guò)測(cè)定汞原子或氬原子等元素的第一激發(fā)電勢(shì)來(lái)了解和證明原子能級(jí)的存在；實(shí)驗(yàn)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(dāng)燈絲〔H〕點(diǎn)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(duì)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(shí)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(chǎng)的作用下將被加速而取得越來(lái)越大的能量。起始階段，由于較低，電子的能量較小，即使在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)2柵的電子到達(dá)陽(yáng)極〔A〕[也慣稱板極]所形成的電流〔IA〕板流〔習(xí)慣叫法，即陽(yáng)極電流〕將隨2柵的電壓UG2K的增加而增大，當(dāng)UG2K到達(dá)氬原子的第一激發(fā)電位〔11.8V〕時(shí)，電子在2柵附近與氬原子相碰撞〔此時(shí)產(chǎn)生非彈性碰撞〕。電子把加速電場(chǎng)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(guò)2柵極，也不能克服反向拒斥電場(chǎng)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(chǎng)的作用力而到達(dá)陽(yáng)極，這時(shí)IA又開(kāi)始上升，直到UG2K是2倍氬原子的第一激發(fā)電位時(shí)，電子在G2和K之間又會(huì)因?yàn)榈?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(shè)以UG2K為橫坐標(biāo)，以IA為縱坐標(biāo)就可以得到一譜峰曲線，譜峰曲線兩相鄰峰尖〔或谷點(diǎn)〕間的UG2K電壓差值，即為氬原子的第一激發(fā)電位值。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(jí)激發(fā)到高能級(jí)，并通過(guò)測(cè)量氬原子的激發(fā)電位值，說(shuō)明了玻爾——原子能級(jí)的存在。第3章實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟有三種觀測(cè)方法可供選擇：示波器測(cè)量、手動(dòng)測(cè)量和計(jì)算機(jī)采集觀測(cè)，下面分別表達(dá)。表達(dá)中請(qǐng)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(cè)量1、插上電源，撥動(dòng)電源開(kāi)關(guān)。2、將手動(dòng)-自動(dòng)檔切換開(kāi)關(guān)置于“自動(dòng)〞。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(yáng)極到第二柵極電壓UG2A〕緩慢調(diào)節(jié)到儀器機(jī)箱上所貼的“出廠檢驗(yàn)參考參數(shù)〞。預(yù)熱10分鐘，此過(guò)程中可能各參數(shù)會(huì)有小的波動(dòng)，請(qǐng)微調(diào)各旋鈕到初設(shè)值。4、將儀器上“同步信號(hào)〞與示波器的“同步信號(hào)〞相連，“Y〞與示波器的“Y〞通道相連?！癥增益〞一般置于0.1V 檔；“時(shí)基〞一般置于0.5ms檔，此時(shí)示波器上顯示出夫蘭克-赫茲曲線。5、調(diào)節(jié)“時(shí)基微調(diào)〞旋鈕，使一個(gè)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(cè)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(gè)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(cè)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(yàn)參考數(shù)據(jù)〞僅作參考，如波形不好看，請(qǐng)微調(diào)各電壓旋扭。如需改變燈絲電壓，改變后請(qǐng)等波形穩(wěn)定后再測(cè)量。〔各電壓對(duì)波形的影響參考附錄〕手動(dòng)測(cè)量1、插上電源，撥動(dòng)電源開(kāi)關(guān)。2、將手動(dòng)-自動(dòng)檔切換開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)〞，微電流倍增開(kāi)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(yáng)極到第二柵極電壓UG2A〕緩慢調(diào)節(jié)到儀器機(jī)箱上所貼的“出廠檢驗(yàn)參考參數(shù)〞。預(yù)熱10分鐘，此過(guò)程中可能各參數(shù)會(huì)有小的波動(dòng)，請(qǐng)微調(diào)各旋鈕到初設(shè)值。4、旋轉(zhuǎn)UG2K調(diào)節(jié)旋鈕，測(cè)定曲線。使柵極電壓逐漸增加，每增加0.5v或者1v，記錄相應(yīng)的電壓、電流值，隨著UG2K〔加速電壓〕的增加，陽(yáng)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(duì)應(yīng)的電壓，在峰值和谷值前后附近最好多測(cè)幾點(diǎn)，以便找到準(zhǔn)確的峰值。以陽(yáng)極電流為縱坐標(biāo)第二柵電壓為橫坐標(biāo)，作出譜峰曲線。測(cè)量時(shí)電流需要時(shí)間去穩(wěn)定，這是因?yàn)殡娏髦岛苄。钦，F(xiàn)象，改變電壓一定要緩慢，否那么電流穩(wěn)定時(shí)間將變長(zhǎng)。5、根據(jù)所取數(shù)據(jù)點(diǎn)，列表作圖，并讀取相鄰電流峰值對(duì)應(yīng)的電壓，用逐差法計(jì)算出氬原子第一激發(fā)電位的平均值。6、在實(shí)驗(yàn)完畢后，請(qǐng)勿長(zhǎng)時(shí)間將UG2K置于最大值，應(yīng)將其按逆時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)至最小值。附錄：各電壓對(duì)波形曲線的影響燈絲電壓VH燈絲溫度對(duì)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(dāng)燈絲電壓很小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)陰極發(fā)射出的電子數(shù)很少，此時(shí)陽(yáng)極電流很小，看不到陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極電流的波峰波谷越來(lái)越明顯，但對(duì)相鄰峰谷位差沒(méi)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(méi)，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(dòng)測(cè)量時(shí)，電流容易溢出測(cè)量范圍，所以燈絲電壓不宜選擇過(guò)大?？刂茤艠O電壓VG1K由于電子的動(dòng)能大局部用來(lái)克服逸出功，剩余的動(dòng)能很小，也就是說(shuō)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(shì)低于燈絲電勢(shì)，稱為空間電荷效應(yīng)，該空間電場(chǎng)會(huì)把帶負(fù)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(lái)驅(qū)散陰極電子發(fā)射的影響，提高發(fā)射效率。當(dāng)控制刪電壓很小時(shí)，空間電荷效應(yīng)明顯，發(fā)射電子數(shù)量較少，因此陽(yáng)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(yáng)極電流總體上升，且峰谷明顯。但當(dāng)電子的發(fā)射到達(dá)飽和時(shí)，空間電荷隊(duì)電子的發(fā)射限制作用消失，此時(shí)如果繼續(xù)增大控制柵電壓，陽(yáng)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?duì)于相鄰波峰的差值沒(méi)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(dá)極板，拒斥電壓越大能夠到達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)越少，陽(yáng)極電流越小。拒斥電壓很小時(shí)，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(shí)陽(yáng)極電流整體下降，當(dāng)拒斥電壓到一定值時(shí)，由于陽(yáng)極電流的整體下降，導(dǎo)致波峰與波谷的差距變小，如果繼續(xù)增大拒斥電壓，陽(yáng)極電流可能出現(xiàn)負(fù)值，這是應(yīng)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(dá)陽(yáng)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(méi)有發(fā)生變化。數(shù)據(jù)處理手動(dòng)測(cè)量處理數(shù)據(jù)記錄第一激發(fā)電勢(shì)測(cè)量測(cè)試條件：VH=V；VG1K=V；VG2A=V;序號(hào)123456被測(cè)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(bǔ)充點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)：VG2/VIA/nA根據(jù)上面表格中的測(cè)量數(shù)據(jù)，用描點(diǎn)作圖法畫(huà)出IA-VG2的曲線；利用逐差法計(jì)算氣體原子第一激發(fā)電勢(shì)氣體原子第一激發(fā)電勢(shì)：。計(jì)算機(jī)采集需另配數(shù)據(jù)記錄儀和相應(yīng)的軟件。請(qǐng)看下一章的說(shuō)明?？记绊氈獙?shí)驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)檢查所有電源的調(diào)節(jié)旋鈕是否反時(shí)針旋到底，尤其必須將VG2K旋鈕反時(shí)針旋到底后，再開(kāi)電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)先把VG2K旋鈕反時(shí)針旋到底后再將其他電源的調(diào)節(jié)旋鈕反時(shí)針旋到底后再關(guān)機(jī)。實(shí)驗(yàn)中〔手動(dòng)測(cè)量〕電壓加到60V以后，增加UG2K時(shí)增加的速率應(yīng)減緩?fù)瑫r(shí)注意IA的變化，當(dāng)電流表的指示驟然上升是應(yīng)立即關(guān)機(jī)，以免引發(fā)管子擊穿。5分鐘后再按上述方法重新開(kāi)機(jī)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如要改變VH、VG1K、VG2A時(shí)，必須將VG2K旋鈕反時(shí)針旋到底后進(jìn)行。各臺(tái)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(shè)發(fā)現(xiàn)波形上端切頂，那么陽(yáng)極輸出過(guò)大，引起失真，應(yīng)減小燈絲電壓VH；假設(shè)發(fā)現(xiàn)底端截止，那么提高VG1K、VG2A有時(shí)須屢次調(diào)節(jié)VG1K、VG2A才可獲得較理想的波形。第4章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄儀〔微機(jī)接口〕的使用聯(lián)接：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄儀與LB-FH型夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀之間通過(guò)2根Q9信號(hào)線分別接收從夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀中傳來(lái)的IA與VG2信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后再用COM線聯(lián)接到計(jì)算機(jī)的COM1或COM2口，然后就可以利用計(jì)算機(jī)來(lái)觀察Ip-VG2曲線了。軟件說(shuō)明：翻開(kāi)：只能翻開(kāi)本實(shí)驗(yàn)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(shí)文件名稱后應(yīng)加".dat"；打?。菏前凑?6開(kāi)紙格式設(shè)計(jì)，能打印出學(xué)生情況欄、日期和實(shí)驗(yàn)圖；放大，縮?。喊凑諏W(xué)生實(shí)驗(yàn)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?。菏悄J(rèn)的顯示比例；擦除：去除所做的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并提醒是否要保存；運(yùn)行：開(kāi)始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；停止：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)束，并可以通過(guò)鼠標(biāo)讀出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；繼續(xù)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集暫停后，可以繼續(xù)采集；暫停：實(shí)驗(yàn)可以中途中斷數(shù)據(jù)采集；重新開(kāi)始：指實(shí)驗(yàn)回到剛開(kāi)始狀態(tài)，并提醒是否存貯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；COM1，COM2：實(shí)驗(yàn)采集的兩個(gè)輸入口，默認(rèn)為COM1，它們的數(shù)據(jù)分別暫時(shí)存貯在"d:\fulanke1.dat"和"d:\fulanke2.dat"；幫助：提供夫蘭克---赫茲實(shí)驗(yàn)接口軟件的使用說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)步驟：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“運(yùn)行〞按鈕，會(huì)出現(xiàn)COM接口的提示框，根據(jù)夫蘭克—赫茲儀與計(jì)算機(jī)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(shí)，(如下列圖中的曲線),按下“停止〞按鈕停止采集。將鼠標(biāo)點(diǎn)擊曲線上各峰、谷點(diǎn)或其它點(diǎn)的位置，即可從屏幕上得知各有關(guān)點(diǎn)的Ip和VG2值。記錄到表中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。用手動(dòng)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(kāi)關(guān)撥至“手動(dòng)〞，再將VG2電壓調(diào)至最小，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“運(yùn)行〞按鈕，會(huì)出現(xiàn)C