弗兰克赫兹实验最佳条件的确定.doc

延边大学学报 (自然科学版)第 32 卷第 3 期 2006 年 9 月Vol . 32 No . 3J o ur nal of Ya nbia n U niver sit y ( Nat ural Scie nce) Sep . 2006 文章编号 : 100424353 (2006) 0320169203弗兰克 赫兹实验最佳条件的确定金哲( 延边大学理学院物理系 ,吉林 延吉 133002 )摘要 : 分析弗兰克 赫兹实验过程中灯丝电压 、第一栅极电压 、板极电压对实验曲线的影响 ,提出实施实验过程中确定最佳实验条件的方法 .关键词 : 第一激发电位 ; 非弹性碰撞 ; 板极电流 ; 拒斥电压中图分类号 : O241 . 1文献标识码 : A弗兰克 (J . Frank) 和赫兹 ( G. Hertz) 利用加速电子与原子的非弹性碰撞过程中原子由低能态激发到高能态 ,直接证明了原子内部能量的不连续 ,证实了原子分立能级的存在 ,并提 供了一种测量激发电位的方法 .设原子的基态能量为 E1 , 第一激发态能量为 E2 , 初速为零的电子在电位差为 U 0 的加速电场作用 下 , 获 得 的 能 量 为 eU 0 . 具 有 这 种 能 量 的 电 子 与 原 子 发 生 碰 撞 , 当 电 子 能 量eU 0 E2 - E1 = E , 电子与原子会产生非 弹性碰撞 . 原子从电子中取得 E 的能量 , 而由基态跃迁到第一激发态 , eU 0 = E. 相应的电位差即为原子的第一激发电位 1 .基于这种物理思想 , 设计各种 F2H 管 , 并在管子中加一定的灯丝电压 、起始电压 ( 第一栅 极电压) 、加速电压 ( 第二栅极电压) 、拒斥 ( 反向) 电压并检测加速电压和板极电流的关系 ,可得到原子第一激发态电位 . 实验原理如图 1 所示 . 本文分析充氩 F2H 管的灯丝电压 、第一 栅极电压 、拒斥电压等因素对 F2H 实验曲线的影响 , 确定 F2H 实验的最佳条件 .灯丝电压对实验曲线的影响1图 2 、图 3 分别给出了充氩 F2H 管的灯丝电压 ( 阴极温度) 对氩原子吸收特性 ( 实验曲线)0和板极电流的影响曲线 . 我们知道 , 单位面积所发射的电流与阴极温度遵从 J = a T2 e - k T ,式中 J 为单位发射面积所发射的电流 , a 为电子发射常数 , T 为金属工作温度 ,0 为金属脱大 . 图 2 中给出了不同灯丝电压下的 4 条实验曲线 . 考虑到使用寿命 、噪音以及板极电流作用 , 确定在 3 . 2 V 附近将是较合理的灯丝电压值 .图 1F2H 实验原理图图 2灯丝电压对实验曲线的影响图 3灯丝电压对电流的影响第一栅极电压对实验曲线的影响2第一栅极电压的作用就是让阴极附近的电子做定向移动 . 而第一栅极电压对吸收曲线的影响不大 . 不过 , 为提高实验曲线的灵敏度 , 还是要选取吸收灵敏度较高的实验条件 . 实验证明 , 第一栅极电压为 1 . 8 V 时比较合适 , 这一点可以提高电流放大作用 . 如图 4 所示 .拒斥 ( 反向) 电压对实验曲线的影响3图 5 、图 6 分别给出了拒斥电压对吸收特性和板极电流的影响曲线 . 通过分析可知 , 不同的拒斥电压下吸收特性曲线及它产生的板极电流是不同的 .图 4第一栅极电压对电流的影响( 65 V 处)图 5拒斥电压对实验曲线的影响在充氩的 F2H 管中 , 电子由热阴极发出 , 阴极 K 和栅极 G 之间的加速电压 U G K 使电子加速 , 在板极 A 和栅极之间有拒斥电压 ( 减速电压) U A G , 管内电位分布如图 7 所示 2 . 当电子通过 K G 空间进入 G A 空间时 , 如果能量大于 eU A G , 就能到达极板形成板流 . 电子在G 空间与氩原子发生非弹性碰撞后 , 电子本身剩余的能量小于 eU A G , 则电子不能到达板极 , 板极电流将会随栅极电压的增加而减少 . 随着 U G K 的增加 , 电子能量增加 , 当电子与氩原子碰撞后还有足够的能量 , 可以克服 G A 空间的拒斥 ( 反向) 电场而到达板极 A 时 , 板极电流又开始上升 . 如果电子在 K G 空间得到的能量 eU = 2 E 时 , 电子在 K G 空间会因2 次非弹性碰撞而失去能量 , 造成第 2 次板极电流下降 . 在 U G K 较高的情况下 , 电子在跑向= n U 0 ( n = 1 , 2 ,) , 就发生这种栅极的路程中 , 将与原子发生多次非弹性碰撞 . 只要碰撞 3 .U G K电子在 K A 空间做这种运动过程中 , 随不同的拒斥电场 , 实验曲线的起始电压发生变化 , 如图 8 所示 . 同时 , 拒斥电压也对实验曲线的峰值 、峰中心产生影响 , 如图 6 所示 . 综合这种情况 , 认定起始电压相对低而板极电流相对较高的 8 V 点较为合适 . 通过数据处理最终得 到氩原子第一激发电位为 11 . 50 0 . 07 V .图 6 拒斥电压对电流的影响( 65 V处)图 7F2H 管内电压分布图 8各曲线起始电压通过上述分析和计算 ,得知灯丝电压 、拒斥电压对原子的吸收特性有一定的影响 . 因此 ,要得到较准确的特性曲线和结果 ,应对 F2H 实验管的特性进行必要的检测 ,同时选取合适 的实验条件也非常重要 .参考文献 :123吴思诚 . 近代物理实验 M . 北京 :北京大学出版社 ,1986 . 2 .沙振舜 . 新编近代物理实验 M . 南京 :南京大学出版社 ,2004 . 4 .周小莉 ,刘兴全 ,孙禹 . 弗兰克 赫兹实验曲线的分析 J . 哈尔滨师范大学学报 (自然科学版) ,2003 ,19 (1) :36238 .The determination of the optimal condition inthe J. Frank2G. Hertz experimentJ IN ZheDepa rt ment of Physics , Col lege of S cience , Y anbi an U ni versi t y , Y anji 133002 , Chi n a )(Abstract : We have analyzed t he influences of t he filament voltage , t he first grid voltage , and board voltageo n t he experimental curves in t he co urse of J . Frank2G. Hertz experiment , and p ropo sed t he met ho d fo r establi