1、弗兰克赫兹实验【实验目的】（1）用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在；（2）练习使用微机控制的实验数据采集系统。【实验原理】根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的，如图所示。对于不同的原子，这些轨道上的电子束分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的能量。当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，原子就处于受激状态。若轨道 1 为正常态，则较高能量的 2 和 3 依次称为第一受激态和第二受激态，等等。但是原子所处能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个基本假设的制约：（1）定态假设。原子只能处在稳定状态中
2、，其中每一状态相应于一定的能量值Ei（ i1，2，3，） ，这些能量值是彼此分立的，不连续的。（2）频率定则。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系： nmhE其中 称作普朗克常数。346.10hJs原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或放出电磁辐射时，二是当原子与其他粒子发生碰撞而交换能量时。本实验就是利用具有一定能量的电子与汞原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需能量不能小于该原子从基态跃迁到第一受激态时所需的能量，
3、这个能量称作临界能量。当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。这时，电子给予原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其余能量仍由电子保留。一般情况下，原子在受激态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。其频率 满足下式 gheU式中 为汞原子的第一激发电位。所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开gU始发光。弗兰克赫兹实验的原理可用下图来说明。其中弗兰克赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充汞四极管。第一栅极 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响1G提高发射效率。第一栅极 与阴极
4、K 之间的电位差由电源 提供。电源 加热灯丝1 GUfFF，使旁热式阴极 K 被加热，从而产生慢电子。扫描电源 加在栅极 和阴极 K 之间，a2建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸汽朝栅极 运动。由于阴极到栅极 之间的距离比较大，在适当的汞蒸气压下，这些电子与汞原子可以发生多2G次碰撞。电源 在栅极 和极板 P 之间建立一拒斥场，到达 附近而能量小于 的RU2 2GReU电子不能到达极板。极板电路中的电流强度 用微电流放大器 A 来测量，其值大小反映了I从阴极到达极板的电子数。实验中保持 和 不变，直接测量极板电流 随加速电压RUGPI变化的关系。a弗兰克赫兹实验线路原理图
5、加速电压 刚开始升高时，板极电流也随之升高，直到加速电压 等于或稍大于汞aUaU原子的第一激发电位，这时在栅极 附近电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的2G能量交给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能越过 产生的拒斥场，到达R板极的电子数减少，所以电流开始下降，继续增加 ，电子在与汞原子碰撞后还能在到达aU前被加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而到达板极 P，这时电流又开始上升。直到2G与 K 间的电压时二倍于汞原子的第一激发电位时，电子在 附近又会因第二次非弹性2G碰撞而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到达板极，电流 再度下降。同样的道理，I随着加速电压 的增加，电子会在栅
6、极 附近与汞原子发生第三次、第四次、非弹aU2G性碰撞，因而板极电流 就会相应下跌，形成具有规则起伏的 曲线。PI Pa下图是利用微电流放大器测得的汞原子的实验曲线，并由此定出汞原子的第一激发电位。弗兰克赫兹实验曲线（汞蒸气管）实验中板极电流 的下降并不是完全突然的，其峰值总有一定宽度。这是由于从阴PI极发出的电子初始能量不完全一样，服从一定的统计规律。另外由于电子与原子的碰撞有一定几率，当大部分电子恰好在栅极 前使汞原子激发而损失能量时，显然会有一些电2G子逃避了碰撞而直接到达板极，因此板极电流并不降到零。【实验仪器】一、弗兰克赫兹实验仪实验用线路如实验线路原理图所示。所用仪器由弗兰克赫兹管
7、、加热炉、温度控制仪、稳压电源、微电流放大器和扫描电源六个部分构成。各仪器的特点及操作注意事项如下：（1）弗兰克赫兹管。这是一个具有双栅结构的柱面的充汞四极管。其工作温区为，在小于 时可获得明显的第一谱峰。02C180C（2）加热炉。加热功率约 400W。炉内温度均匀，保温性好。面板为实验用接线板，弗兰克赫兹管的各电极均已连到面板上各相应接线端。背面由玻璃观察窗，可观察到受激原子从高能态返回到正常态时所辐射的光。加热炉外形如图所示。（3）温度控制仪。它由交流温控电桥、交流放大器、相敏放大器、控温执行继电器四部分组成。控温范围 ，控温精度 ，同时也能指示被控温度大小。2031（4）稳压电源。稳压
8、电源输出分为三组，均可调节。第一组作为灯丝电压，第二组作为拒斥场电压，第三组作为控制栅电压。（5）扫描电源。用以改变加速电压 。输出波形：锯齿波，三角波。扫描方式：手动，aU自动。扫描电源上有电压表指示扫描电压大小。为使读数精确，同时再外接一个量程 200V的数字电压表，指示该电压大小。（6）微电流放大器。该仪器使利用高输入阻抗运算放大器制成的 I-U 变换器，可测量的电流，在本实验中用来测量板极电流 。使用时电路中接入一个微安表，108A PI指示被测电流的相对大小。测量开始前调节“调零”旋钮，使电流表指针指零。由于电流为电子流，应将极性开关扳到“” 。二、微机控制的弗兰克赫兹实验数据采集系
9、统系统选用的数据采集卡是 AC1095 多功能 12 位 A/D 接口板，它具有 16 路模拟输入，输入程控的放大倍数 G1、 2、5、10，单极性输入幅度 0V10V，采样速率 50kHz，1路 12 位 D/A 转换器等多种功能。在选定实验条件后，整个实验过程由微机控制，在接口板 D/A 端的输出信号去控制扫描电压，A/D 端采样，每次要采回两个实验数据，即加速电压 和板极电流 。因加aUPI速电压较高，进入采集板的 是经过分压的，范围在 0V10V 。因此要准确地知道加到aU管子上的实际电压 是多少，就需要对采集进行标定。a【实验步骤及注意事项】（1）接线和检查线路：参考实验线路原理图接
10、线，将各电压调节旋钮反时针方向旋到底使电压最小；检查控温仪与加热炉之间连接线。（2）加热炉和微电流放大器通电：根据实验室给定的炉温控制值，在控温仪上预置炉温值，接通加热炉、控温仪电源，同时开启微电流放大器的电源。（3）摸索实验条件，定性观察 变化情况：开启稳压电源和扫描电源。根据给定的PaIU、 、 控制值，先预置一组数。扫描电源置“手动” 。缓慢增加 ，观察板极电流fUGR aU的变化情况，此时应能看到 的起伏变化。分别改变 、 、 及炉温值，观察每PI PIfGR格参量对 曲线的影响。最后，要求随着 的增加能观察到 有 810 个峰，峰与aaPI谷的差别应比较明显，最大峰值应接近于电流表的
11、满量程处，但又不过载，并且在三五分钟时间内 变化规律无明显改变。PI在改变条件过程中，要注意以下几点：每个参量不能超过最大允许值；电流表不要过载； 和炉温改变时，对 的影响有一定滞后时间，不要一下子改变很多。每fUPI改变一次，等 2min3min 再观察 的变化；若电流 迅速增大，表明汞原子已明显电PI离，此时应立即减小 有时扫描电源也可置于“自动” ，周期选用“40s” 。（4）测量 曲线：在得到了满足 3 中要求的最佳条件，并待 变化规律也已达PaI PaIU到稳定后，可开始逐点测量数据。利用“手动”扫描方式，缓慢增加 ，从 0V 到 60V 左右，逐点记录 及相应的 值。合理选择测量间隔，峰值点附近测量点要多些。PI（5）利用“自动”扫描方式和数据采集系统获得 曲线PaI
