FD-FH-1夫蘭克-赫茲實驗儀說明書(050323)教學文稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。FD-FH-1夫蘭克-赫茲實驗儀說明書(050323)-FD-FH-夫蘭克赫茲實驗儀說明書上海復旦天欣科教儀器有限公司中國上海FD-FH-型夫蘭克赫茲實驗儀產品說明書一、儀器簡介本實驗儀是用于重現(xiàn)1914年夫蘭克和赫茲進行的低能電子轟擊原子的實驗設備。實驗充分證明原子內部能量是量子化的。學生通過實驗建立原子內部能量量子化的概念，并學習夫蘭克和赫茲研究電子和原子碰撞的實驗思想和方法。本實驗儀為一體式實驗儀，設計緊湊，面板直觀，功能齊全，操作方便。供給夫蘭克赫茲管用的各組電源電壓穩(wěn)定，測量微電流用的放大器有

2、很好的抗干擾能力。實驗儀能夠獲得穩(wěn)定優(yōu)良的實驗曲線。本實驗儀實驗方法多樣，除實測數(shù)據(jù)外還可和示波器，X-Y記錄儀，及微機連用。本實驗儀適用于大專院校開設近代物理實驗和普通物理實驗，也可以作為原子能量量子化教學的演示實驗。二、儀器性能和面板功能1、夫蘭克赫茲實驗管（簡稱F-H管）F-H管為實驗儀的核心部件，F(xiàn)-H管由傍熱式陰極、雙柵極和板極共四個極組成，各電極均為圓筒狀。這種F-H管內充氬氣，玻璃封裝。F-H管各電極與其他部件的連接方法示意圖如下：2、F-H管用電源組提供F-H管各電極所需的工作電源電壓和性能如下：a燈絲電源電壓，直流1.35V，連續(xù)可調；b柵極陰極間電源電壓，直流，06V，連續(xù)

3、可調；c柵極陰極間電壓電源，直流，090V，連續(xù)可調；3、掃描電源和微電流放大器掃描電源提供可調直流電壓或輸出鋸齒波電壓作為F-H管電子加速電壓。直流電壓供手動測量，鋸齒波電壓供示波器顯示，X-Y記錄儀和微機用。微電流放大器用來檢測F-H管的板流。性能如下：a具有“手動”和“自動”兩種掃描方式：“手動”輸出直流電壓，090V，連續(xù)可調；“自動”輸出090V鋸齒波電壓，掃描上限可以設定。b掃描速率分“快速”和“慢速”兩檔：“快速”是周期約為20次/秒的鋸齒波，供示波器和微機用；“慢速”是周期約為0.5次/秒的鋸齒波，供X-Y記錄儀用。c微電流放大器測量范圍有，A四檔。4、夫蘭克赫茲實驗值和除分別

4、用三位半數(shù)字表頭直接顯示外，另設端口提供示波器，X-Y記錄儀，及微機記錄或者顯示曲線的各種信息。5、面板及功能1.顯示表頭（表頭示值2）指示擋后為實際值）；2.微電流放大器量程選擇開關，分、四檔；3.數(shù)字電壓表頭（與8）相關，可以分別顯示、值，其中值為數(shù)字式表頭示值10V；4.電壓調節(jié)旋鈕；5.電壓調節(jié)旋鈕；6.電壓調節(jié)旋鈕；7.電壓調節(jié)旋鈕；8.電壓示值選擇開關，可以分別選擇、；9.輸出端口，接示波器Y端，X-Y記錄儀Y端或者微機接口的電流輸入端；10.掃描速率選擇開關，“快速”檔供接示波器觀察曲線或微機用，“慢速”檔供X-Y記錄儀用；11.掃描方式選擇開關，“自動”檔供示波器，X-Y記錄儀

5、或微機用，“手動”檔供手測記錄數(shù)據(jù)使用；12.輸出端口，接示波器X端，X-Y記錄儀X端，或微機接口電壓輸入用；13.電源開關。三、儀器使用說明1、示波器演示法a連好主機的后面板電源線，用Q9線將主機正面板上“輸出”與示波器上的“X相”（供外觸發(fā)使用）相連，“輸出”與示波器“Y相”相連；b將掃描開關置于“自動”檔，掃描速度開關置于“快速”檔，微電流放大器量程選擇開關置于“”；c分別將示波器“”、“”電壓調節(jié)旋鈕調至“”和“”，“”調至“”，“”全部打到“”；d分別開啟主機和示波器電源開關，稍等片刻；e分別調節(jié)、電壓（可以先參考給出值）至合適值，將由小慢慢調大（以F-H管不擊穿為界），直至示波器上

6、呈現(xiàn)充氬管穩(wěn)定的曲線；2、手動測量法a調節(jié)至最小，掃描開關置于“手動”檔，打開主機電源；b選取合適的實驗條件，置、于適當值，用手動方式逐漸增大，同時觀察變化。適當調整預置、值，使由小到大能夠出現(xiàn)5個以上峰。c選取合適實驗點，分別從數(shù)字式表頭上讀取和值，再作圖可得曲線，注意示值和實際值關系。例：表頭示值為“”，電流量程選擇“”檔，則實際測量電流值應該為“”；表頭示值為“”，實際值為“”。四、注意事項1、儀器應該檢查無誤后才能接電源，開關電源前應先將各電位器逆時針旋轉至最小值位置。2、燈絲電壓不宜放得過大，一般在2V左右，如電流偏小再適當增加。3、要防止F-H管擊穿（電流急劇增大），如發(fā)生擊穿應立

7、即調低以免F-H管受損。4、F-H管為玻璃制品不耐沖擊應重點保護。5、實驗完畢，應將各電位器逆時針旋轉至最小值位置。五、儀器配置主機（包括F-H管，掃描電源，微電流放大器等）1臺示波器1臺（選配）微機接口1臺（選配）電源線1根Q9線1根使用說明書1份FD-FH-型夫蘭克-赫茲實驗儀實驗指導書一、概述1900年是量子論的誕生之年，它標志著物理學由經典物理邁向近代物理。量子論的基本觀念是能量的不連續(xù)性，即能量是量子化的。1914年夫蘭克（F.Frank）和赫茲（G.Hertz）在研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子與原子間相互作用時，在充汞的放電管中發(fā)現(xiàn)：透過汞蒸氣的電子流隨電子能量的變化有規(guī)律，呈現(xiàn)周期性

8、變化，間隔為4.9eV，并拍攝到與能量4.9eV相對應的光譜線253.7nm。對此，他們提出了原子中存在“臨界電勢”的概念：當電子能量低于與臨界電勢相應的臨界能量時，電子與原子的碰撞是彈性的，而當電子能量達到這一臨界能量時，碰撞過程由彈性變?yōu)榉菑椥?，電子把這份特定的能量轉移給原子使之受激，原子退激時再以特定頻率的光量子形式輻射出來，電子損失的能量E與光量子能量及光子頻率的關系為：。夫蘭克赫茲實驗用非光學方法證實了原子內部能量是量子化的，為波爾于1913年發(fā)表的原子理論提供了堅實的實驗基礎。是量子論是一個重要實驗。1920年夫蘭克及其合作者對原先實驗裝置做了改進，提高了分辨率，測得了汞的除4.9

9、eV以外的較高激發(fā)能級和電離能級，進一步證實了原子內部能量是量子化的。1925年夫蘭克和赫茲共同獲得諾貝爾物理學獎。通過這一實驗可以了解到原子內部能量量子化的情況，學習和體驗夫蘭克和赫茲研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子和原子間相互作用的實驗思想和方法。二、實驗原理根據(jù)玻爾理論原子只能處在某一些狀態(tài)，每一狀態(tài)對應一定的能量，其數(shù)值彼此是分立的，原子在能級間進行躍遷時吸收或發(fā)射確定頻率的光子，當原子與一定能量的電子發(fā)生碰撞可以使原子從低能級躍遷到高能級（激發(fā)）。如果是基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的躍遷則有：電子在電場中獲得的動能在和原子碰撞時交給原子，原子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，V1稱為原子第一激發(fā)電勢（位）。

10、進行F-H實驗通常使用的碰撞管是充汞的，充汞管需要配加熱爐用于改變汞的蒸氣壓。除用充汞的外，還常用充惰性氣體的，如充氖，氬等的碰撞管。而這些碰撞管，溫度對于氣壓影響不大，并且只需在常溫下就可以進行實驗。對于四級式充氬F-H碰撞管，實驗線路連接如圖1所示。為燈絲加熱電壓，為正向小電壓，為加速電壓,為減速電壓。F-H管中的電位分布如圖2所示。電子由陰極發(fā)出，經電場加速趨向陽極，只要電子能量達到能克服減速電場就能穿過柵極到達板極形成電流，由于管中充有氣體原子，電子前進的途中要與原子發(fā)生碰撞。如果電子能量小于第一激發(fā)能，它們之間的碰撞是彈性的，根據(jù)彈性碰撞前后系統(tǒng)動量和動能守恒原理不難推得電子損失的能

11、量極小，電子能如期的到達陽極。如果電子能量達到或超過，電子與原子將發(fā)生非彈性碰撞，電子把能量傳給氣體原子，要是非彈性碰撞發(fā)生在附近，損失了能量的電子將無法克服減速場到達極板。這樣，從陰極發(fā)出的電子隨著從零開始增加，極板上將有電流出現(xiàn)并增加，如果加速到柵極的電子獲得等于或大于的能量，將出現(xiàn)非彈性碰撞而出現(xiàn)的第一次下降，隨著的增加，電子與原子發(fā)生非彈性碰撞的區(qū)域向陰極移動，經碰撞損失能量的電子在趨向陽極的途中又得到加速，又開始有足夠的能量克服減速電壓而到達陽極，隨著增機又開始增加，而如果的增加使那些經歷過非彈性碰撞的電子能量又達到則電子又將與原子發(fā)生非彈性碰撞造成的又一次下降。在較高的情況下，電子

12、在趨向陽極的路途中會與電子發(fā)生多次非彈性碰撞。每當造成的最后一次非彈性碰撞區(qū)落在柵極附近就會使曲線出現(xiàn)下降，隨變大出現(xiàn)如此反復下跌將出現(xiàn)如附錄中測量所示的曲線。曲線的極大和極小出現(xiàn)明顯的規(guī)律性，它是能級量子化能量反復被吸收的結果，也是原子能級量子化的充分體現(xiàn)。就其規(guī)律來說，每相鄰極大或極小值之間的電位差為第一激發(fā)電勢（電位）。三、實驗內容實驗測定夫蘭克赫茲實驗管的曲線，觀察原子能量量子化情況，并由此求出充氬（Ar）管中原子的第一激發(fā)電位。連接實驗儀器，選擇適當?shù)膶嶒灄l件，如2V，1V，8V，用手動方式改變同時觀察微電流計上的隨的變化情況。如果增加時，電流迅速增加則表明F-H管產生擊穿，此時應立

13、即降低。如果希望有較大的擊穿電壓，可以用降低燈絲電壓來達到；2、適當調整實驗條件使微電流計能出現(xiàn)5個峰以上，波峰波谷明顯；3、選取合適的實驗點記錄數(shù)據(jù)，使之能完整真實的繪出曲線或用記錄儀記下曲線；4、處理曲線，求出氬的第一激發(fā)電位處理方法：用曲線的峰或谷位置電位差求平均值；用最小二乘法處理峰或谷位置電位i為峰或谷序數(shù)，為特征位置電位值，為擬合的第一激發(fā)電位（可參考附錄）。5、降低或增加燈絲電壓，觀察曲線的變化，記錄第一峰和最末峰的位置，與5比較，大概推斷燈絲電壓對曲線的影響。四、注意事項1、不同的實驗條件，有不同的擊穿值，一旦擊穿發(fā)生，應立即降低以免F-H管受損；2、燈絲電壓不宜放得過大，宜在

14、左右。五、思考題1、考察其它實驗條件對曲線的影響（曲線的形狀、擊穿電壓、峰谷比、峰數(shù)等。2、考察周期變化與能級的關系，如果出現(xiàn)差異估計是什么原因？3、第一峰位位置電位為何與第一激發(fā)電位有誤差？六、參考文獻1、楊福家著，原子物理學（第二版），高等教育出版社，1990年2、戴樂山、戴道宣主編，近代物理實驗，復旦大學出版社，1995年附錄：1.手繪或記錄儀可測得氬的曲線。a.測量數(shù)據(jù)如下表所示：（）（）（）（）（）（）（）（）15.00.435.017.355.052.575.028.116.01.136.013.756.054.076.040.517.01.837.010.457.050.377.

15、054.118.02.138.09.458.041.178.065.919.02.439.013.659.028.279.073.920.03.140.019.860.014.980.078.221.04.641.026.461.08.481.076.922.05.542.032.562.014.282.071.223.06.043.035.963.025.783.059.524.06.344.037.364.039.284.044.425.06.145.035.665.051.585.029.226.05.946.030.566.060.086.022.627.07.147.023.167.066.687.028.228.09.748.014.968.068.488.039.629.013.249.08.869.064.989.052.430.