1、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： 1672-5
2、1741 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
3、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
4、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x 期 作者 张文丽 通过夫兰克-赫兹实验验证氩元素的第一激发电位 2页 Fig2 Relation curve of IP-UG2K3 实验仪器介绍夫兰克-赫兹
5、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
6、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
7、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、V G1K、V G2A、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)
8、间隔 1.0VUG2K/V(c)间隔 1.5V3 页 中 国 海 洋 大 学 报 2013 年6 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。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） 】/
9、 （ 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
10、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，200
11、9,28（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.(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 interval表表 1 间隔电压的峰-谷电压值Table1 Interval pe
12、ak valley - voltage value of the voltagex 期 作者 张文丽 通过夫兰克-赫兹实验验证氩元素的第一激发电位 2页 By frank - Hertz experiment of argon element the first excitation voltageZhang Wenli(1.Physical Oceanography Laboratory )Abstract:In frank - Hertz experiment, the accelerating voltage, respectively, using four different int
13、erval data measurement, and data processing, get 4 sets the value of the first excitation voltage. And then verified by calculation of argon element the first excitation voltage.Key world:Frank - Hertz experiment; Argon element; The first excitation potential; The oscilloscope姓名：张文丽学号：050422011053权重：30%
