夫兰克-赫兹实验.docx

第xx卷 第x期中 国 海 洋 大 学 学 报xx(x):xxxyyy.xxxx年x月 RERIODICAL OF OCEAN UNTVETSITY OF CHINA Apr，2013.通过夫兰克赫兹实验验证氩元素的第一激发电位张文丽（中国海洋大学 地球信息科学与技术专业，青岛 266000）摘 要：在夫兰克-赫兹试验中，对加速电压分别采用4种不同间隔进行数据测量，并进行数据处理，得到4组第一激发电位值。然后通过计算验证氩元素的第一激发电位。关键词： 夫兰克-赫兹实验；氩元素；第一激发电位；示波器中图法分类号： 0414.1 文献标志码： A 文章编号： 1672-51741 引言波尔发展了原子模型理论，提出了原子能级的存在，从光谱学可以证明原子能级的存在，此外，也可以用夫兰克-赫兹实验来证明原子能级的存在。1914年，夫兰克和赫兹进行了电子轰击原子的实验，从而证明了原子内部的能量是量子化的。夫兰克-赫兹实验是近代物理实验中的一个重要试验，可以通过夫兰克-赫兹实验仪来测定原子的第一激发电位。2 实验原理珀尔提出的原子理论指出，原子只能较长时间停留在一些稳定的状态（简称为定态），各定态都具有一定的能量，且能量值彼此分立。原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。如果用Em和En分别代表两定态的能量，辐射的频率决定于如下关系： h=Em-En（h为普朗克常亮）实验原理如图1所示图1 夫兰克-赫兹实验装置Fig1 Frank - Hertz experiment device由阴极K发射的电子在G1,K间电压UG1K的控制下进入G1,G2空间，经G2,K间加速电压U的加速获得一定的能量，由于G1,K间隔小，电子主要在G1,G2间与气体汞原子发生碰撞并交换能量G2,A间有一截止电压UG2K,当电子通过K,G2空间进入G2,A空间时，如果仍有较大能量就能冲过反电场而到达电极A,成为通过电流表的电流Ip。对于那些能量不是汞原子激发能量整数倍的电子因为在与汞原子进行弹性碰撞时损失能量甚小，因此可以到达电极A，对于那些能量是汞原子激发能量整数倍的电子，将与汞原子发生非弹性碰撞失去绝大部分能量，以致过栅极G后已不足以克服反电势，从而到达不到A，因而无电流流过电流计。这样随UG2K的增加，板极电流Ip会出现明显的起伏变化，从IP的峰点（或谷点）对应的值即可求得汞原子的激发电位。图2为氩原子的试验曲线，本实验的任务就是测出这条曲线，并由此定出氩原子的第一激发电位。图2 IP-UG2K的关系曲线 Fig2 Relation curve of IP-UG2K3 实验仪器介绍夫兰克-赫兹试验仪以功能划分为八个区（见图3）。一区为夫兰克=赫兹管各输入电压连接插孔和板极电流输出插座；第二区为夫兰克-赫兹管所需激励电压的输出插孔，分正负两极；第三区为测试电流指示区，四位七段数码管指示电流值，四个电流量程档位选择按键用于选择不同的最大电流量程档，每个量程选择同时具有一个选择指示灯指示当前电流量程档位；第四区委测试电压指示区，四位七段数码管指示当前选择电压源的电压值，四个电压源选择按键用于选择不同的电压源，每个电压源选择都备有一个选择指示灯指示当前选择的电压源；第五区为测试信号输入输出区，电流输入插座输入夫兰克-赫兹管板极电流，信号输出和同步输出插座可将信号送示波器显示；第六区为调整按键区，用于改变当前电压源电压设定值和设置查询电压点；第七区为工作状态指示区，通信指示灯指示试验仪与计算机的通信状态，启动按键与工作方式按键共同完成多种操作；第八区是电源。图3 夫兰克-赫兹试验仪 前面板Fig3 Frank - Hertz experiment instrument front panel4 实验内容与步骤a、设置仪器为“手动”工作状态。b、设定电流量程。c、设定电压源的电压值，需设定的电压源有：灯丝电压VF、第一加速电压VG1K、拒斥电压VG2A。d、按下“启动”键，实验开始。用/,/键完成VG2K电压值的调节，从0.0V起，按步长1V(或0.5V)的电压值调节电压源VG2K,同步记录VG2K值和对应的IA值，同时仔细观察弗兰克-赫兹管的板极电流值IA的变化.e、重新启动。在手动测试的过程中，按下启动按键，VG2K的电压值将被设置为零，内部存储的测试数据被清除，示波器上显示的波形被清除，但VF、VG1K、VG2A、电流档位的状态不发生改变。这时，可以在该状态下重新进行测试，或修改状态后再进行测试。5 数据处理选取4种不同的加速电压间隔：0.5、1.0、1.5、2.0V，缓慢增大电压，同时记录对应电压下阳极电流IA的大小，对应得到4种不同电压间隔的F-H曲线图（见图4）UG2K/V(a)间隔0.5VUG2K/V(b)间隔1.0VUG2K/V(c)间隔1.5V3页 中 国 海 洋 大 学 报 2013年(d)间隔2.0V图4 4种不同电压间隔下的F-H曲线图Fig4 Four kinds of F - H curve under different voltage interval6 实验结果与讨论由图可见，4种不同电压间隔的F-H曲线趋势是随着加速电压增大，加速电压间隔为0.5V的曲线图效果最好，随着加速电压间隔的增大，曲线在峰和谷处变得不平滑，整个图形显得比较粗糙。从加速电压间隔0.5、1,0、1.5、2.0V曲线微分图上使用数据读取工具得到以下峰-谷值（见表1），取前六个峰谷值，采用逐差法处理数据，并计算对应相对误差。表表1 间隔电压的峰-谷电压值Table1 Interval peak valley - voltage value of the voltage峰值、谷值电压的平均间距：U峰=【（51.77-18.19）+（64.16-28.95）+ （76.88-40.03）】/（33）=11.74U谷=【（57.96-23.08）+（70.35-34.49）+（82.74-46.23）】/（33）=11.92计算被测气体的第一激发电位为：U=(U峰+U谷)/2=11.83根据Ar原子的第一激发电位为11.61V，可以计算出结果的相对误差为： EU=|U-UAr|/UAr100=|11.83-11.61|/11.61100=1.8同理可计算得到1.0、1.5、2.0V的EU 分别为：1.9,2.0，和2.2。从计算4组第一激发电位值来看，加速电压间0.5V值最接近Ar原子第一激发电位的公认值,相对误差较小，最后一组相对误差最大，中间数据的计算结果相近。7 结语从对4种间隔的数据处理中可以看到，经加速电压间隔0.5V的数据计算出的第一激发电位的值最精确，间隔1.0V和1.5V则稍差一些，间隔2.0V的数据算出的第一激发电位的值偏差最大，因此实际测量数据时，可以采用1.5V加速电压间隔进行数据测量。这样即可以保证计算结果的精度，又可以减少实际测量的数据个数。 参考文献：1陈海波，F-H实验测量氩原子的第一激发电位的研究J，茂名学院学报，2005，15（4）77-81. 2张磊，徐飞，陈玉林，Origin7.5在夫兰克-赫兹实验数据处理中的应用J，实验室研究与探索，2009,28（4）：19-21.3周永军，祖新慧，夫兰克-赫兹试验中影响曲线的因素分析J，沈阳航空工业学院学报，2008,25（3）：86-88.4杨春沪，张素才，基于充氩夫兰克-赫兹实验的非弹性碰撞模型J，上海电力学院学报，2012,28（2）：198-200.5张明长，刘海风，优化夫兰克-赫兹实验条件J，2008,28（4）：36-43.By frank - Hertz experiment of argon element the first excitation voltageZhang Wenli(1.Physical Oceanography Laboratory & Ocean-Atmospheric Interaction and Climate Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266003，China; )Abstract:In frank - Hertz experiment, the accelerating voltage, respectively, using four different interval data measurement, and data processing, get 4 sets the value of the first excitation voltage. And then verifie