【实验报告】弗兰克赫兹实验报告内容.docx
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1、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,
2、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。
3、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
4、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
5、 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 IpUG2
6、K 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
7、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/
8、(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。
9、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,
10、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
11、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
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