【实验报告】弗兰克赫兹实验报告内容.docx

弗兰克赫兹试验报告内容仪器弗兰克-赫兹管(简称 F-H 管)、加热炉、温控装置、F-H 管电源组、扫描电源和微电流放大器、微机 X-Y 记录仪。F-H 管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、其次栅极及板极组成。为了使 F-H 管内保持肯定的汞蒸气饱和蒸气压，试验时要把 F-H 管置于控温加热炉内。加热炉的温度由控温装置设定和掌握。炉温高时，F-H 管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积存较高的能量。温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积存较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内消灭辉光放电现象。辉光放电会降低管子的使用寿命，试验中要留意防止。F-H 管电源组用来供给 F-H 管各极所需的工作电压。其中包括灯丝电压UF，直流 1V5V 连续可调;第一栅极电压 UG1，直流 05V 连续可调;其次栅极电压 UG2，直流 015V 连续可调。扫描电源和微电流放大器，供给 090V 的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为 F-H 管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。微电流放大器用来检测 F-H 管的板流，其测量范围为 10-8A、10-7A、10-6A 三挡。微机 X-Y 记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。原理1 / 1玻尔的原子理论指出:原子只能处于一些不连续的能量状态 E1、E2， 处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。原子的能量不管通过什么方式发生转变，只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态;原子从一个定态跃迁到另一个定态时，它将放射或吸取辐射的频率是肯定的。假设用Em 和 En 分别代表原子的两个定态的能量，则放射或吸取辐射的频率由以下关系打算:hv=|Em-En|(1)式中:h 为普朗克常量。原子从低能级向高能级跃迁，也可以通过具有肯定能量的电子与原子相碰撞进展能量交换来实现。本试验即让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为 E1，第一激发态的能量为 E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是 E2-E1。初速度为零的电子在电位差为 U 的加速电场作用下具有能量eU，假设 eU 小于 E2-E1 这份能量，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量 eUE2-E1 时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸取相当于 E2-E1 的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的局部仍留给电子。设使电子具有E2-E1 能量所需加速电场的电位差为 U0，则eu0=E2-E1(2)式中:U0 为汞原子的第一激发电位(或中肯电位)，是本试验要测的物理量。试验方法是，在充汞的 F-H 管中，电子由热阴极发出，阴极K 和其次栅极G2 之间的加速电压 UG2K 使电子加速。第一栅极对电子加速起缓冲作用，避开加速电压过高时将阴极损伤。在板极P 和 G2 间加反向拒斥电压 UpG2。当电子通过 KG2 空间，假设具有较大的能量(eUpG2)就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成板流，被微电流计 pA 检测出来。假设电子在 KG2 空间因与汞原子碰撞，局部能量给了汞原子，使其激发，本身所剩能量太小，以致通过栅极后缺乏以抑制拒斥电场而折回，通过电流计 pA 的电流就将显著减小。试验时，使栅极电压 UG2K 由零渐渐增加，观测 pA 表的板流指示，就会得出如图 2 所示 IpUG2K 关系曲线。它反映了汞原子在 KG2 空间与电子进展能量交换的状况。当 UG2K 渐渐增加时，电子在加速过程中能量也渐渐增大，但电压在初升阶段，大局部电子达不到激发汞原子的动能，与汞原子只是发生弹性碰撞，根本上不损失能量，于是穿过栅极到达板极，形成的板流 Ip 随 UG2K 的增加而增大，如曲线的oa 段。当 UG2K 接近和到达汞原子的第一激发电位 U0 时，电子在栅极四周与汞原子相碰撞，使汞原子获得能量后从基态跃迁到第一激发态。碰撞使电子损失了大局部动能，即使穿过栅极，也会因不能抑制反向拒斥电场而折回栅极。所以 Ip 显著减小，如曲线的 ab 段。当 UG2K 超过汞原子第一激发电位，电子在到达栅极以前就可能与汞原子发生非弹性碰撞，然后连续获得加速，到达栅极时积存起穿过拒斥电场的能量而到达板极，使电流上升(曲线的 bc 段)。直到栅压UG2K 接近二倍汞原子的第一激发电位(2U0)时，电子在 KG2 间又会因两次与汞原子碰撞使自身能量降低到不能抑制拒斥电场，使板流其次次下降(曲线的 cd段)。同理，凡 (3) 处，Ip 都会下跌，形成规章起伏变化的 IpUG2K 曲线。而相邻两次板流 Ip 下降所对应的栅极电压之差，就是汞原子的第一激发电位 U0。处于第一激发态的汞原子经受极短时间就会返回基态，这时应有相当于eU0 的能量以电磁波的形式辐射出来。由式(2)得eU0=h=hc/(4)式中:c 为真空中的光速; 为辐射光波的波长。利用光谱仪从 F-H 管可以分析出这条波长=253.7(nm)的紫外线。附:几种常见元素的第一激发电势(U0)元素钠(Na)钾(K)锂(Li)镁(Mg)汞(Hg)氦(He)氖(Ne) U0/V 2.121.631.843.24.921.218.6试验要求1)测绘 F-H 管 IpUG2K 曲线，确定汞原子的第一激发电位(1) 加热炉加热控温。将温度计棒插入炉顶小孔，温度计棒上有一固定夹用来调整此棒插入炉中的深度，固定夹的位置已调整好，温度计棒插入小孔即可。温度计棒尾端电缆线连接到“传感器“专用插头上，将此传感器插头插入控温仪后面板专用插座上。接通控温电源，调整控温旋钮，设定加热温度(本试验约180)，让加热炉升温 30min，待温控继电器跳变时(指示灯同时跳变)已到达预定的炉温。(2) 测量 F-H 管的 IpUG2K 曲线。试验仪的整体连接可参考图 3，将电源局部的 UF 调整电位器、扫描电源局部的“手动调整“电位器旋钮旋至最小(逆时针方向)。扫描选择置于“手动“挡。微电流放大器量程可置于 10-7A 或 10-8A 挡(对充汞管)。待炉温到达预定温度后，接通两台仪器电源。依据供给的F-H 管参考工作电压数据，分别调整好 UF、UG1、UG2，预热 35min。(a) 手开工作方式测量。缓慢调整“手动调整“电位器，增大加速电压，并留意观看微电流放大器消灭的峰谷电流信号。加速电压到达50V60V 时约有 10 个峰消灭。在测量过程中，当加速电压加到较大时，假设觉察电流表突然大幅度量程过载，应马上将加速电压削减到零，然后检查灯丝电压是否偏大，或适当减小灯丝电压(每次减小 0.1V0.2V 为宜)再进展一次全过程测量。逐点测量IpUG2K 的变化关系，然后，取适当比例在毫米方格纸上作出 IpUG2K 曲线。从曲线上确定出 Ip 的各个峰值和谷值所对应的两组 UG2K 值，把两组数据分别用逐差法求出汞原子的第一激发电位 U0 的两个值再取平均，并与标准值 4.9V 比较，求出百分差。假设在全过程测量中，电流表指示偏小，可适当加大灯丝电压(每次增大 0.1V0.2V 为宜)(b) 自动扫描方式测量。将“手动调整“电位器旋到零，函数记录仪先不通电，调整“自动上限“电位器，设定锯齿波加速电压的上限值。可先将电位器逆时针方向旋到最小，此时输出锯齿波加速电压的上限值约为50V，然后将“扫描选择“开关拨到“自动“位置。当输出锯齿波加速电压时，从电流表观看到峰谷信号。锯齿波扫描电压到达上限值后，会重回复零，开头一次的扫描。在数字电压表、电流表上观看到正常的自动扫描及信号后，可承受函数记录仪记 录。记录仪的X 输入量程可置于 5V/cm 档，Y 输入量程可按电流信号大小来选择，一般可先置于 0.1V/cm 档。开启记录仪，即可绘出完整的 Ip 变化曲线。留意事项(1) 试验装置使用 220V 沟通单相电源，电源进线中的地线要接触良好，以防干扰和确保安全。(2) 函数记录仪的 X 输入负端不能与Y 输入的负端连接，也不能与记录仪的地线()连接，否则要损坏仪器。(3) 试验过程中假设产生电离击穿(即电流表严峻过载现象)时，要马上将加速电压削减到零。以免损坏管子。(4) 加热炉外壳温度较高，移动时留意用把手，导线也不要靠在炉壁上，以免灼伤和塑料线软化。试验题目：弗兰克赫兹试验试验器材：F-H 试验管、恒温加热电炉、F-H 试验装置、示波器。试验内容：1. 生疏试验装置，把握试验条件。该试验装置由 F-H 管、恒温加热电炉及 F-H 试验装置构成，其装置构造如以下图所示：C:Documents and SettingsAdministrator.EUPMS_1.000 桌面 3.jpgF-V 管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。一般温度在 100 C 至 250 C。并且由于 Hg 对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。灯丝电压掌握着阴极K 放射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的外形和每个峰的位置，是一个关键的条件。2. 测量 Hg 的第一激发电位。1) 起动恒温掌握器，加热地 F-H 管，使炉温稳定在 157 C，并选择适宜的灯丝电压，VG1K=2.5V，VG2p=1.5V，Vf=1.3V。2) 转变 VG2k 的值，并记录下对应的 Ip 值上(每隔 0.2V 记录一个数据)。3) 作数据处理，作出对应的 Ip-VG2k 图，并求出 Hg 的第一激发电位(用逐差法)。3. 测 Ar 原子的第一激发电位。1)调整好相关的数据：Vp=8.36V，VG1=1.62V，VG2k=0100V，Vf=2.64V;2) 将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的 Ip-VG2k 图，是否符合试验要求(有六个以上的波峰)。再将相关档位调到手动档位。3) 手动转变 VG2k 的值，并记录下对应的 Ip 值上(每隔 0.05V 记录一个数据)。4) 作数据处理，作出对应的 Ip-VG2k 图，并求出 Hg 的第一激发电位(用逐差法)。4. 得出结论。原始数据:1. Vf=1.3V VG1K=2.5V VG2p=1.5V T=157C求汞原子的第一激发电位的数据表大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客2. Vp=8.36V VG1=1.62V VG2k=0100V Vf=2.64V求 Ar 原子的第一激发电位的数据表大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客数据处理：1. 求 Hg 原子的第一激发电位。将在试验中记录下的数据，以点的形式描在 x-y 坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图形为：大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客得到的七个峰值(Ip)，对应的 UG2K 依次为：U1=7.0V , U2=11.6V , U3=16.0V , U4=21.0V , U5=25.8 V, U6=30.6V , U7=35.6V .设 Ux 为 Hg 的第一激发电位，则有以下式子(逐差法)： 4*Ux1=U5-U1=25.8V-7.0V=18.8V, Ux1=4.7V;4*Ux2=U6-U2=30.6V-11.6V=19.0V, Ux2=4.8V;4*Ux3=U7-U3=35.6V-16.0V=19.6V, Ux3=4.9V则大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客=大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客=4.8V.不确定度分析：uA=大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客u0.68=1.32*uA=1.32*0.06V=0.08V.则 Ux=大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客u0.68=4.8 大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客0.08V.2. 求 Ar 原子的第一激发电位。将在试验中记录下的数据，以点的形式描在 x-y 坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图形为：大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客得到的六个峰值(Ip)，对应的 UG2K 依次为：U1=3.00V , U2=4.15V , U3=5.35V , U4=6.60V , U5=7.90V, U6=9.20V .设 Ux 为 Hg 的第一激发电位，则有以下式子(逐差法)： 3*Ux1=U4-U1=6.60V-3.00V=3.60V, Ux1=1.20V;3*Ux2=U5-U2=7.90V-4.15V=3.75V, Ux2=1.25V;3*Ux3=U6-U3=9.20V-5.35V=3.85V, Ux3=1.28V则大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客=大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客=1.24V.1 / 1uA=大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客u0.68=1.32*uA=1.32*0.023V=0.030V.则 Ux=大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客u0.68=1.24 大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客 0.030V.结论：由此可得，Hg 的第一激发电位 UxHg=4.8 大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客 0.08V，而 Ar 原子的第一激发电位为 UxAr=1.24 大学物理试验报告-弗兰克赫兹试验 - zhou198865 - zhou198865 的博客 0.030V。思考题：说明温度对充汞 F-H 管 Ip-VG2k 曲线影响的物理机制。答：，在肯定温度下(一般在发 100 C 至 250 C)，才可得到适宜压强的汞蒸气，这时汞原子的密度也是适宜的。汞蒸气对温度格外敏感，假设温度不在适宜范围之内，会影响到汞原子在 F-H 管内的密度。假设温度较低，会导致 F-H 管中汞原子的密度较小，就进一步为汞原子特地供给与电子碰撞，这就使得电子的平均自由程变大，电子有时机使积蓄的能量超过 4.9V，从而使高激发态的激发概率快速增加，会 Ip 有了对应的峰，并在 Ip-VG2kr 曲线上有对应的峰，消灭高激发态时的电位，这就会影响到试验的结果。假设温度较高，汞管内的密度较大，使电子每次能量到达 4.9eV 时，有足够大的概率与汞原子发生能量交换，使得电子的速度重回到零，并需要重加速，直到再次到达 4.9eV，又与汞原子发生能量交换.始终都在在基态和第一激发态之间，并且在 Ip-VG2K 曲线中会表现出有多个峰值，并且都是处在第一激发态上。则会使所以说，在试验中对汞的温度也有肯定的讲究：过高时，则在 Ip-VG2k 曲线上会消灭多个峰; 过低则会使得消灭高激发态上的峰值，在图中表现为，两个峰值的距离会加 大。试验心得:1. 试验过程中，开头时使用的仪器，在调好了相关数据后，进展读数时， 觉察数据变化很小、，这就增大了读取数据的误差。后来换了一台仪器，读取时,电流随电压的转变而转变的幅度变大，这就大大减小了读取数据的误差，也使得试验中测量 Hg 的第一激发电位较为准确。所以我觉得在试验开头时调整好试验仪器，也是一件格外重要的事。2. 在试验过程中，肯定要定下心来。试验中读取数据有的时候是一件很枯燥单调的事，当需要读取的数据很多时，简洁变得急躁，使得会消灭读取错误的状况。这就需要我们能够冷静自我，一心一意地去做自己要做的事，把需要试验的步骤做好。这很重要。1 / 1