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文檔簡介
一、 實驗名稱:弗蘭克-赫茲實驗二、 實驗?zāi)康模海?) 用實驗的方法測定汞或氬原子的第一激發(fā)電位,從而證明原子分立態(tài)的存在;(2) 練習(xí)使用微機控制的實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。三、 實驗原理:根據(jù)波爾的原子模型理論,原子中一定軌道上的電子具有一定的能量。當(dāng)原子吸收或放出電磁輻射時或當(dāng)原子與其他粒子發(fā)生碰撞時,原子狀態(tài)會發(fā)生改變。改變過程中原子的能量變化不是任意的,而是受到波爾理論的兩個基本假設(shè)的制約,即定態(tài)假設(shè)和頻率定則。由波爾理論可知,處于基態(tài)的原子發(fā)生狀態(tài)改變時,其所需能量不能小于該原子從基態(tài)躍遷到第一受激態(tài)時所需的能量,這個能量稱作臨界能量。當(dāng)電子與原子碰撞時,如果電子能量小于臨界能量,則發(fā)生彈性碰撞;若電子能量大于臨界能量,則發(fā)生非彈性碰撞。這時,電子給予原子以臨界能量,剩余能量仍由電子保留。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(xí)慣叫法,即陽極電流)將隨2柵的電壓UG2K的增加而增大,當(dāng)UG2K達到氬原子的第一激發(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,若以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)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。四、 主要的實驗儀器及實驗步驟:儀器面板介紹: 前面板 后面板實驗步驟: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(yù)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(shè)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(yīng)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(yīng)的電壓,在峰值和谷值前后附近最好多測幾點,以便找到準(zhǔn)確的峰值。以陽極電流為縱坐標(biāo)第二柵電壓為橫坐標(biāo),作出譜峰曲線。測量時電流需要時間去穩(wěn)定,這是因為電流值很小,是正常現(xiàn)象,改變電壓一定要緩慢,否則電流穩(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(yīng)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(yīng)將其按逆時鐘方向旋轉(zhuǎn)至最小值。五、 數(shù)據(jù)處理:1. 氬原子第一激發(fā)電位Ug的測量(1) 實驗數(shù)據(jù)記錄a. 實驗條件 燈絲電壓Uf = 2 V,拒斥場電壓UR = 7.5 V,控制柵電壓UG = 2.1 V。b. 實驗數(shù)據(jù)峰序號i123456峰值電壓Ui/V16.8527.9539.4451.0263.5576.46(2)逐差法處理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)序號i123(Ui+3-Ui)/V34.1735.6037.02求平均值:3Ug=13i=13(Ui+3-Ui)=35.60 V Ug=11.87 V求不確定度:S3Ug=13-1i=13Ui+3-Ui-3Ug2=1.4250 Vn=3 A=tp(n-1)nS3Ug=3.5377 V儀=0.1%U+0.1 V=0.1%76.46+0.1 V=0.1765 VB=2儀=0.2496 V 3Ug=A2+B2=3.5 V Ug=1.2 V3Ug 3Ug=35.63.5V UgUg=11.91.2V(3) 最小二乘法處理數(shù)據(jù):擬合公式為 U=11.898i+4.2353b=A=4.2353,Ug=B=11.898 V,R2=0.9991Sbb=1R2-1n-2=0.01501, Sb=bSbb=4.23530.01501=0.06357 VUg=Sb2+儀2=0.19 V, UgUg=11.900.19V2. 氬原子受激后回到基態(tài)輻射出的光波波長的計算 由1中計算可知,氬原子第一激發(fā)態(tài)電位Ug = 11.90V(線性擬合結(jié)果),代入式h = eUg及c = 得:=hceUg=6.6310-343.01081.6010-1911.90=1.04510-7m=104.5 nm3.對第一、第二峰位圖的分析:第一峰位:16.85V峰位/V16.316.516.716.917.117.317.5電流/A14.214.515.11614.714.514.3第二峰位:27.95V峰位/V27.427.627.82828.228.428.6電流/A22.923.123.924.524.724.824.7分析:對于實際的FH管,其陰極與柵極采用不同的金屬材料制成,它們的逸出功不同,因此會產(chǎn)生接觸電位差。接觸電位差的存在,使真正加在電子上的加速電壓不等于Ua,而是Ua與接觸電位差的代數(shù)和,所以接觸電位的存在將會使得整個Ip-Ua曲線左右平移,因此,第一個峰位對應(yīng)的電壓值并等于Ug。4. 通過手動定量測量分析Uf、UG、UR對板極電流Ip的影響 實驗中記錄的數(shù)據(jù)如下表所示:組號Uf/VUR/VUG/V峰點 1峰點 2峰點3峰點4Ua/VIpUa/VIpUa/VIpUa/VIp12.010.02.218.310.029.319.140.926.552.931.121.910.02.218.76.529.412.040.816.252.718.931.810.02.218.53.329.65.041.06.353.27.141.89.02.218.33.828.45.940.67.151.88.051.88.02.217.94.327.76.340.08.051.58.961.88.01.818.33.028.46.240.48.552.59.271.88.01.418.41.028.63.140.86.052.28.3 利用控制變量法分析上表中的數(shù)據(jù):(1) Uf 對板極電流Ip的影響比較1、2、3組數(shù)據(jù)可知,燈絲電壓Uf增大,板極電流Ip也增大。分析:增大燈絲電壓Uf,則燈絲溫度升高,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電子數(shù)增多,經(jīng)過與氬原子碰撞等一系列相互的作用后,到達板極P的電子數(shù)增多,產(chǎn)生的板極電流Ip增大。(2) UG 對板極電流Ip的影響比較5、6、7組數(shù)據(jù)可知,控制柵電壓UG增大,板極電流Ip先增大后減小。分析:a. 控制柵電壓UG的主要作用是消除電子在陰極附近的堆積效應(yīng),控制陰極發(fā)射的電子流的大小,避免陰極產(chǎn)生的電子發(fā)生散射,無法到達板極P。b. 增大控制柵電壓UG,能有效減小電子在陰極附近的堆積,增大到達板極P的電子數(shù)目,從而導(dǎo)致板極電流Ip增大。c. 當(dāng)控制柵電壓UG過大時,將會使進入碰撞空間的電子流變小,到達板極P的電子數(shù)減少,板極電流Ip減小。d. 比較2、3組數(shù)據(jù)可知,板極電流Ip的增加值并不大,可能是因為此時的加速電壓Ua已經(jīng)接近使Ip達到最大值的電壓值了。(3) UR 對板極電流Ip的影響比較3、4、5組數(shù)據(jù)可知,拒斥場電壓UR增大,板極電流Ip減小。分析:增大拒斥場電壓UR的值,將會使得電子穿越G2P需要更大的能量,因此對到達第二柵極G2的電子的能量要求的更高了,所以,在其他條件相同的情況下,滿足這一要求的電子數(shù)目將會減少,從而到達板極P的電子數(shù)目減少,板極電流Ip減小。六、 討論:1.實驗時要若要得出比較理想的圖像,應(yīng)將Uf適當(dāng)調(diào)大以得到理想的圖像。若Ip超出量程也不應(yīng)驚慌,這只是短暫的,不會對儀器造成太大的損壞
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