1、FD-FH-夫兰克赫兹实验仪说明书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国 上海1FD-FH-型 夫兰克赫兹实验仪产品说明书一、仪器简介本实验仪是用于重现 1914 年夫兰克和赫兹进行的低能电子轰击原子的实验设备。 实验充分证明原子内部能量是量子化的。学生通过实验建立原子内部能量量子化的概念，并学习夫 兰克和赫兹研究电子和原子碰撞的实验思想和方法。本实验仪为一体式实验仪，设计紧凑，面板直 观，功能齐全，操作方便。供 给夫兰克赫兹管用的各组电源电压稳定，测量微电流用的放大器有很好的抗干扰能力。 实验仪能够获得稳定优良的实验曲线。本 实验仪实验 方法多样，除 实测数据外还可和示波器，X-Y 记录仪，及微机
2、连用。本 实验仪适用于大专院校开设近代物理实验和普通物理实验，也可以作 为原子能量量子化教学的演示实验。二、仪器性能和面板功能1、夫兰克赫兹实验管（简称 F-H 管）F-H 管为实验仪的核心部件，F-H 管由傍热式阴极、双 栅极和板极共四个极组成，各 电极均为圆筒状。这种 F-H 管内充氩气，玻璃封装。F-H 管各电极与其他部件的连接方法示意图如下：2、F-H 管用电源组 提供 F-H 管各电极所需的工作电源电压和性能如下：2a灯丝电源电压 ， 直流 1.35V，连续可调；FVb栅极 阴极间电源电压 ，直流，06V，连续可调；1G!Gc栅极 阴极间电压电源 ，直流，090V， 连续可调；2 2
3、3、扫描电源和微电流放大器扫描电源提供可调直流电压或输出锯齿波电压作为 F-H 管电子加速电压。直流电压供手动测量，锯齿 波电压供示波器显示， X-Y 记录仪和微机用。微电流放大器用来检测 F-H 管的板流 。性能如下：PIa具有“手动” 和“ 自动”两种扫描方式：“手动”输出直流电压，090V，连续可调；“自动”输出 090V 锯齿波电压， 扫描上限可以设定。b扫描速率分“快速”和“慢速” 两档：“快速”是周期约为 20 次/秒的锯齿波，供示波器和微机用；“ 慢速” 是周期 约为 0.5 次/秒的锯齿波，供 X-Y 记录仪用。c微电流放大器测量范围有 ， ， ， A 四档。910876104
4、、夫兰克赫兹实验值 和 除分别用三位半数字表头直接显示外，另设端口PI2GV提供示波器，X-Y 记录仪，及微机 记录或者显示 曲线的各种信息。2GPVI5、面板及功能3夫 兰 克 -赫 兹 仪u电 源 输 出 自 动手 动 快 速慢 速 输 出 上 海 复 旦 天 欣 科 教 仪 器 有 限 公 司1. 显示表头（表头示值 2）指示挡后为 实际值）；PIPI2. 微电流放大器量程选择开关，分 、 、 、 四档；A1n01nA3.数字电压表头（与 8）相关，可以分别显示 、 、 、 值，其中 值为数FVGP22GV字式表头示值10V；4. 电压调节旋钮；2GV5. 电压调节旋钮；P6. 电压调节
5、旋钮；1G7. 电压调节旋钮；FV8.电压示值选择开关，可以分别选择 、 、 、 ；FV1GP29. 输出端口，接示波器 Y 端，X-Y 记录仪 Y 端或者微机接口的 电流输入端；PI10. 扫描速率选择开关， “快速”档供接示波器观察 曲线或微机用， “慢速”2GV 2GpVI档供 X-Y 记录仪用；11. 扫描方式选择开关， “自动”档供示波器，X-Y 记录仪或微机用， “手动”档供2G4手测记录数据使用；12. 输出端口，接示波器 X 端， X-Y 记录仪 X 端，或微机接口 电压输入用；2GV13.电源开关。三、仪器使用说明1、示波器演示法a连好主机的后面板电源线，用 Q9 线将主机正
6、面板上 “ 输出”与示波器上2GV的“X 相”（供外触发使用）相连， “ 输出”与示波器“Y 相” 相连； pIb将扫描开关置于“自动”档，扫描速度开关置于“快速 ”档，微电流放大器量程选择开关置于“ ”；nA10c分别将示波器“ ”、“ ”电压调节旋钮调至“ ”和“ ”，“ ”调至“XYV12POSITN”，“ ”全部打到 “ ”；yx交 直 流 DCd分别开启主机和示波器电源开关，稍等片刻；e分别调节 、 、 电压（可以先参考给出值）至合适值，将 由小慢慢1GVPF 2GV调大（以 F-H 管不击穿为界），直至示波器上呈现充氩管稳定的 曲pI线；2、手动测量法a调节 至最小，扫描开关置于“
7、 手动”档，打开主机电源；2GVb选取合适的实验条件，置 、 、 于适当值，用手动方式逐渐增大 ，1GVPF 2GV同时观察 变化。适当调整预置 、 、 值，使 由小到大能够出现PI1V2G5 个以上峰。c选取合适实验点，分别从数字式表头上读取 和 值，再作 图可得PI2G曲线，注意示值和实际值关系。2GPVI例： 表头示值为“ ”，电流量程选择“ ”档， 则实际测量 电流值应该3. nA10PI5为“ ”； 表头示值为 “ ”，实际值为“ ”。nA3.22GV35.6V5.63四、注意事项1、仪器应该检查无误后才能接电源，开关 电源前应先将各电位器逆时针旋转至最小值位置。2、灯丝电压 不宜放
8、得过大，一般在 2V 左右，如电流偏小再适当增加。FV3、要防止 F-H 管击穿（电流急剧增大），如 发生击穿应立即调低 以免 F-H2GV管受损。4、F-H 管为玻璃制品不耐冲击应重点保护。5、实验完毕，应将各电位器逆时针旋转至最小值位置。五、仪器配置主机（包括 F-H 管，扫描电源，微 电流放大器等） 1 台示波器 1 台（选配）微机接口 1 台（选配）电源线 1 根Q9 线 1 根使用说明书 1 份FD-FH-型 夫兰克-赫兹实验仪实验指导书一、概述1900 年是量子论的诞生之年，它标志着物理学由经典物理迈向近代物理。量6子论的基本观念是能量的不连续性，即能量是量子化的。1914 年夫兰
9、克（F.Frank）和赫兹（G.Hertz）在研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子能量的变化有规律，呈现周期性变 化， 间隔为 4.9eV，并拍摄到与能量 4.9eV 相对应的光谱线 253.7nm。对此，他们提出了原子中存在“临界 电势” 的概念：当电子能量低于与临界电势相应的临界能量时，电子与原子的碰撞是弹性的，而当电子能量达到这一临界能量时，碰撞过程由 弹性变为非弹性， 电子把 这份特定的能量转移给原子使之受激，原子退激时再以特定频率的光量子形式辐射出来，电子损失的能量E 与光量子能量及光子频率的关系为： 。 heVE夫兰克赫兹实验
10、用非光学方法证实了原子内部能量是量子化的，为波尔于 1913 年发表的原子理论提供了坚实的实验基础。是量子论是一个重要实验。1920 年夫兰克及其合作者对原先实验装置做了改进，提高了分辨率，测得了汞的除 4.9eV 以外的较高激 发能级和电离能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的。1925 年夫兰克和赫 兹共同获得诺贝尔物理学奖。通过这一实验可以了解到原子内部能量量子化的情况，学习和体验夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的实验思想和方法。二、实验原理根据玻尔理论原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光
11、子，当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能级跃迁到高能级（激发）。如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有： 0121EvmeVe7电子在电场中获得的动能在和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态， V1 称为原子第一激 发电势（位）。进行 F-H 实验通常使用的碰撞管是充汞的，充汞管需要配加热炉用于改变汞的蒸气压。除用充汞的外，还常用充惰性气体的，如充氖，氩等的碰撞管。而这些碰撞管，温度对于气压影响不大，并且只需在常温下就可以进行实验。对于四级式充氩 F-H 碰撞管，实验线路连接如图 1 所示。为灯丝加热电压， 为正向小电压， 为加速电压, 为减速电压。PV1GV2GVPVF-H
12、 管中的电位分布如图 2 所示。 图电子由阴极发出，经电场 加速趋向阳极，只要 电子能量达到能克服 减2GV PV速电场就能穿过栅极 到达板极 形成电流 ，由于管中充有气体原子，电子2PPI前进的途中要与原子发生碰撞。如果电子能量小于第一激发能 ，它们之间的1e碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒原理不难推得电子损失8的能量极小，电子能如期的到达阳极。如果 电子能量达到或超过 ，电子与原子1eV将发生非弹性碰撞，电子把能量 传给气体原子，要是非弹性碰撞发生在 附1eV2G近，损失了能量的电子将无法克服减速场 到达极板。这样，从阴极 发出的电子P随着 从零开始增加，极板上将有电流出现
13、并增加，如果加速到 栅极的电子2GV 2获得等于或大于 的能量，将出现非弹性碰撞而出现 的第一次下降，随着1e PI的增加，电子与原子发生非弹性碰撞的区域向阴极移动，经碰撞损失能量的2G电子在趋向阳极的途中又得到加速，又开始有足够的能量克服 减速电压而到PV达阳极 ， 随着 增机又开始增加，而如果 的增加使那些经历过非弹性PI2GV2G碰撞的电子能量又达到 则电子又将与原子发生非弹性碰撞造成 的又一次1e PI下降。在 较高的情况下，电子在趋向阳极的路途中会与电子发生多次非弹性2G碰撞。每当 造成的最后一次非弹性碰撞区落在 栅极附近就会使 曲V2 2GPVI线出现下降， 随 变大出现如此反复下
14、跌将出现如附录中测量所示的曲线。PI2G曲线的极大和极小出现明显的规律性，它是能级量子化能量反复被吸收的结果，也是原子能级量子化的充分体现。就其 规律来 说，每相 邻极大或极小值之间的电位差为第一激发电势（电位）。三、实验内容实验测定夫兰克赫兹实验管的 曲线，观察原子能量量子化情况，2GPVI并由此求出充氩（Ar）管中原子的第一激发电位。1连接实验仪器，选择适当的实验条件，如 2V， 1V， 8V ，用P1GPV手动方式改变 同时观察微电流计上的 随 的变化情况。如果 增加时，2GVI2V2G电流迅速增加则表明 F-H 管产生击穿，此时应立即降低 。如果希望有较大2G的击穿电压，可以用降低灯丝
15、电压来达到；92、适当调整实验条件使微电流计能出现 5 个峰以上，波峰波谷明显；3、选取合适的实验点记录数据，使之能完整真 实的绘出 曲线或用记录2GPVI仪记下 曲线；2GPVI4、处理 曲线，求出氩的第一激发电位处理方法：a. 用曲线的峰或谷位置电位差求平均值；b. 用最小二乘法处理峰或谷位置电位 iVaG12i 为峰或谷序数， 为特征位置 电位值， 为拟合的第一激发电位（可2GV参考附录）。5、降低或增加灯丝电压，观察 曲线的变化，记录第一峰和最末峰的位2GPI置，与 5 比较，大概推断灯丝电压对曲线的影响。四、注意事项1、不同的实验条件， 有不同的击穿值，一旦击穿 发生，应立即降低 以
16、免2GV 2GVF-H 管受损；2、灯丝电压不宜放得过大，宜在 左右。五、思考题1、考察其它实验条件对 曲线的影响（曲线的形状、击穿电压、峰谷比、2GPVI峰数等。2、考察 周期变化与能级的关系，如果出 现差异估计是什么原因？2GPVI3、第一峰位位置电位为何与第一激发电位有误差？六、参考文献101、杨福家著，原子物理学（第二版），高等教育出版社，1990 年2、戴乐山、戴道宣主编，近代物理 实验，复旦大学出版社，1995 年附录：1.手绘或记录仪可测得氩的 曲线。2GPVIa. 测量数据如下表所示：（2GV）PI（ ）nA（2G）VPI（ ）nA（2G）VPI（ ）nA（2GV）（PI）nA
17、15.0 0.4 35.0 17.3 55.0 52.5 75.0 28.116.0 1.1 36.0 13.7 56.0 54.0 76.0 40.517.0 1.8 37.0 10.4 57.0 50.3 77.0 54.118.0 2.1 38.0 9.4 58.0 41.1 78.0 65.919.0 2.4 39.0 13.6 59.0 28.2 79.0 73.920.0 3.1 40.0 19.8 60.0 14.9 80.0 78.221.0 4.6 41.0 26.4 61.0 8.4 81.0 76.922.0 5.5 42.0 32.5 62.0 14.2 82.0 71
18、.223.0 6.0 43.0 35.9 63.0 25.7 83.0 59.524.0 6.3 44.0 37.3 64.0 39.2 84.0 44.425.0 6.1 45.0 35.6 65.0 51.5 85.0 29.21126.0 5.9 46.0 30.5 66.0 60.0 86.0 22.627.0 7.1 47.0 23.1 67.0 66.6 87.0 28.228.0 9.7 48.0 14.9 68.0 68.4 88.0 39.629.0 13.2 49.0 8.8 69.0 64.9 89.0 52.430.0 16.1 50.0 11.7 70.0 55.2
19、90.0 64.331.0 18.5 51.0 21.6 71.0 40.3 91.0 73.232.0 19.8 52.0 31.2 72.0 23.9 92.0 82.133.0 20.0 53.0 43.0 73.0 13.3 93.0 85.234.0 19.2 54.0 48.0 74.0 16.2 94.0 84.9b.描画出的 关系曲线图为：2GpVI9.38.056.855.6,4.40123456789100 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 1010.5Vg2(*10V)Ip(nA)通过测量值作图处理可以得出氩的第一激发电位约为 12.25V2、用计算机采集得到的另一氩管的 曲线：2GPI12用谷谷差平均值求得氩的第一激发电位，得到：.V)30.12(
