FD-F-H实验仪说明书.pdf

FD-FH-Ⅰ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1 FD-FH-Ⅰ型 夫兰克—赫兹实验仪一、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， 并能学习夫兰克和赫兹研究电子和原子碰撞的实验思想和实验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 提供给夫兰克—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F-H 管为实验仪的核心部件， F-H 管采用间热式阴极、双栅极和板极的四极形式，各极均为圆筒状这种 F-H 管内充氩气，玻璃封装电性能及各电极与其他部件的连接示意图如下：2 2、 F-H 管电源组提供 F-H 管各电极所需的工作电压性能如下：a．灯丝电压 FV ， 直流 1.3~5V，连续可调；b．栅极 1G —阴极间电压 !GV ，直流， 0~6V，连续可调；c．栅极 2G —阴极间电压 2GV ，直流， 0~90V，连续可调；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 PI 性能如下：a．具有“手动” 和“自动”两种扫描方式： “手动”输出直流电压，0~90V，连续可调； “自动”输出 0~90V 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 S/次锯齿波，供示波器和微机用； “慢速”是周期约为 0.5 S/次 的锯齿波，供 X-Y 记录仪用c．微电流放大测量范围为 910 ， 810 ， 710 ， 610 A 四档4、夫兰克—赫兹实验值 PI 和 2GV 分别用三位半数字表头显示另设端口供示波器， X-Y 记录仪，及微机显示或者直接记录 2~ GP VI 曲线的各种信息3 5、面板及功能夫兰克 -- 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. PI 显示表头（表头示值 2）指示挡后为 PI 实际值） ；2. PI 微电流放大器量程选择开关， 分 A1 、 nA100 、 nA10 、 nA1 四档；3. 数字电压表头 （与 8） 相关， 可以分别显示 FV 、 1GV 、 PV 、 2GV 值，其中 2GV 值为表头示值 V10 ） ；4. 2GV 电压调节旋钮；5. PV 电压调节旋钮；6. 1GV 电压调节旋钮；7. FV 电压调节旋钮；8. 电压示值选择开关，可以分别选择 FV 、 1GV 、 PV 、 2GV ；9. PI 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；10. 2GV 扫描速率选择开关， “快速” 档供接示波器观察 2Gp VI ～ 曲线或微机用， “慢速”档供 X-Y 记录仪用；4 11. 2GV 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”档供手测记录数据使用；12. 2GV 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；13. 电源开关。

三、仪器使用说明1、示波器演示法a．连好主机后面板电源线，用 Q9线将主机正面板上 “ 2GV 输出”与示波器上的“ X相” （供外触发使用）相连， “ pI 输出”与示波器“ Y相”相连；b．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“ nA10 ” ；c． 分别将 “ X ” 、 “ Y ” 电压调节旋钮调至 “ V1 ” 和 “ V2 ” ， “ POSITION ”调至“ yx ” ， “ 交直流 ”全部打到“ DC ” ；d．分别开启主机和示波器电源开关，稍等片刻；e．分别调节 1GV 、 PV 、 FV 电压（可以先参考给出值）至合适值，将2GV 由小慢慢调大 （以 F-H 管不击穿为界） ， 直至示波器上呈现充氩管稳定的 2Gp VI ～ 曲线；2、手动测量法a．调节 2GV 至最小，扫描开关置于“手动”档，打开主机电源；b．选取合适的实验条件，置 1GV 、 PV 、 FV 于适当值，用手动方式逐渐增大 2GV ，同时观察 PI 变化适当调整预置 1GV 、 PV 、 FV 值，使5 2GV 由小到大能够出现 5 个以上峰c．选取合适实验点，分别由数字表头读取 PV 和 2GV 值，作图可得2~ GP VI 曲线，注意示值和实际值关系。

例： PI 表头示值为“ 23.3 ” ，电流量程选择“ nA10 ”档，则实际测量PI 电流值应该为 “ nA3.32 ” ； 2GV 表头示值为 “ 35.6 ” ， 实际值为 “ V5.63 ” 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 FV 不宜放得过大， 一般在 2V 左右， 如电流偏小再适当增加3、 要防止 F-H 管击穿 （电流急剧增大） ， 如发生击穿应立即调低 2GV以免 F-H 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6 夫兰克—赫兹实验一、实验概述1914 年，夫兰克和赫兹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的能量显现有规律的周期性变化，能量间隔为 eV9.4 同一年，使用石英制作的充汞管，拍摄到与能量 eV9.4 相应的光谱线 253.7nm 的发射光谱。

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， 碰撞过程由弹性转变为非弹性，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 1920 年，夫兰克及其合作者对原先的装置做了改进， 提高了分辨率， 测得了亚稳能级和较高的激发能级，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了诺贝尔物理学奖通过这一实验， 可以了解夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用的实验思想和方法， 电子与原子碰撞的微观过程是怎样与实验中的宏观量相联系的， 并可以用于研究原子内部的能量状态与能量交换的微观过程二、实验原理根据玻尔理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态） ，其中每一状态对应于一定的能量值，各定态的能量是分立的，原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差地能量 如果处于基态的7 原子要发生状态改变， 所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要地能量 夫兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态地跃迁。

电子与原子碰撞过程可以用以下方程表示：EVMvmMVvm ee 2222 21212121 ；其中 em 是电子质量， M 是原子质量， v是电子的碰撞前的速度， V 是原子的碰撞前的速度， v 是电子的碰撞后速度， V 是原子的碰撞后速度， E 为内能项因为 Mme ，所以电子的动能可以转变为原子的内能 因为原子的内能是不连续的， 所以电子的动能小于原子的第一激发态电位时，原子与电子发生弹性碰撞 0E ；当电子的动能大于原子的第一激发态电位时， 电子的动能转化为原子的内能 1EE ， 1E为原子的第一激发电位夫兰克—赫兹实验原理如图 1 所示，充氩气的夫兰克—赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极 K 和栅极 1G 之间的加速电压 1GV 使电子加速，在板极 P 和栅极 2G 之间有减速电压 PV 当电子通过栅极 2G 进入 PG2 空间时，如果能量大于 PeV ，就能到达板极形成电流 PI 电子在 21GG 空间与氩原子发生了弹性碰撞， 电子本身剩余的能量小于 PeV ，8 则电子不能到达板极， 板极电流将会随着栅极电压的增加而减少 实验时使 2GV 逐渐增加，观察板极电流的变化将得到如图 2 所示的2GP VI ～ 曲线。

随着 2GV 的增加，电子的能量增加，当电子与氩原子碰撞后仍留下足够的能量，可以克服 PG2 空间的减速电场而到达板极 P 时，板极电流又开始上升如果电子在加速电场得到的能量等于 E2 时，电子在 21GG 空间会因二次非弹性碰撞而失去能量， 结果板极电流第二次下降在加速电压较高的情况下， 电子在运动过程中， 将与氩原子发生多次非弹性碰撞， 在 2GP VI ～ 关系曲线上就表现为多次下降 对氩来说，曲线上相邻两峰（或谷）之间的 2GV 之差，即为氩原子的第一激发电位这即证明了氩原子能量状态的不连续性三、实验仪器夫兰克—赫兹实验仪 1 台示波器 1 台电源线 1 根9 9Q 线 2 根四、实验过程1、别用 9Q 线将主机正面板上“ 2GV 输出”和“ pI 输出”与示波器上的“ onXCH 1 ”和“ onYCH 2 ”相连，将电源线插在主机后面板的插孔内，打开电源开关；2、把扫描开关调至“自动”档，扫描速度开关调至“快速” ，把 pI电流增益波段开关拨至“ nA10 ” ； 、3、打开示波器的电源开关，并分别将“ X ” 、 “ Y ”电压调节旋钮调至“ V1 ”和“ V2 ” ， “ POSITION ”调至“ yx ” ， “ 交直流 ”全部打到“ DC ” ；4、分别调节 1GV 、 PV 、 FV 电压至主机上部厂商标定数值，将 2GV 调节至最大，此时可以在示波器上观察到稳定的氩的 2Gp VI ～ 曲线；5、将扫描开关拨至“手动”档，调节 2GV 至最小，然后逐渐增大其值， 寻找 PI 值的极大和 极小值点， 以及相应的 2GV 值， 即找出对应的极值点（ 2GV ， PI ） ，也即 2Gp VI ～ 关系曲线中波峰和波谷的位置，相临波峰或波谷的横坐标之差就是氩的第一激发电位；（注： 实验记录数据时， PI 电流值为表头示值 “ nA10 ” ， ； 2GV 实际测量值为：表头示值 V10 ）6、每隔 V1 记录一组数据，列出表格，然后描画氩的 2Gp VI ～ 关系曲线图。

10 五、实验记录1、数据记录（实验中可以在波峰和波谷位置周围多记录几组数据，以提高测量精度） ：2GV（ V ）PI（ nA ）2GV（ V ）PI（ nA ）2GV（ V ）PI（ nA ）2GV（ V ）PI（ nA ）15.0 0.4 35.0 17.3 55.0 52.5 75.0 28.1 16.0 1.1 36.0 13.7 56.0 54.0 76.0 40.5 17.0 1.8 37.0 10.4 57.0 50.3 77.0 54.1 18.0 2.1 38.0 9.4 58.0 41.1 78.0 65.9 19.0 2.4 39.0 13.6 59.0 28.2 79.0 73.9 20.0 。