弗兰克赫兹实验.docx
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弗兰克赫兹实验
弗兰克赫兹实验
LT
弗兰克-赫兹实验的原理可用图来说明。
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提高发射效率。
第一栅极
与阴极K之间的电位差由电源
提供。
电源
加热灯丝FF,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,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
变化的关系。
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
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
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,随着加速电压
的增加,电子会在栅极
附近与汞原子发生第三次、第四次、……非弹性碰撞,因而板极电流
就会相应下跌,形成具有规则起伏的
曲线。
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。
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,显然会有一些电子逃避了碰撞而直接到达板极,因此板极电流并不降到零。
3.实验仪器
弗兰克-赫兹实验仪
实验用线路图如图所示。
所用仪器由弗兰克-赫兹管、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介绍如下:
(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。
(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。
(4)稳压电源。
稳压电源输出分为三组,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,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,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“-”。
微机控制的弗兰克-赫兹实验数据采集系统
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G=1、2、5、10,单极性输入幅度0V~10V,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
。
因加速电压较高,进入采集板的
是经过分压的,范围在0V~10V。
因此要准确地知道加到管子上的实际电压
是多少,就需要对采集进行标定。
4.实验步骤及注意事项
(1)接线和检查线路:
参考图接线,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
、
、
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
的变化情况,此时应能看到
的起伏变化。
分别改变
、
、
及炉温值,观察每格参量对
曲线的影响。
最后,要求随着
的增加能观察到
有8~10个峰,峰与谷的差别应比较明显,最大峰值应接近于电流表的满量程处,但又不过载,并且在三五分钟时间内
变化规律无明显改变。
在改变条件过程中,要注意以下几点:
①每个参量不能超过最大允许值;②电流表不要过载;③
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。
每改变一次,等2min~3min再观察
的变化;④若电流
迅速增大,表明汞原子已明显电离,此时应立即减小⑤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。
(5)利用“自动”扫描方式和数据采集系统获得
曲线
5.数据处理及误差分析
Uf,UG,UR对实验现象的影响
数值
影响
Uf
会影响出来的电子数目,导致所测电流的变化0≦Uf≦3V
UG
使出来的电子进入加速电场,电子进入电场的数目随着UG的增加而增加,但是当UG很大的时候电流表的示数反而随之减小
UR
影响电子到达极板的数目,随着UR的变大电子的到达数目反而减小,当UR大到一定程度的时候甚至电流表有可能反向
当手动调节UfUGUR使得效果最佳时,灯丝电压Uf=2.8V拒斥场电压UR=6.3V控制栅极电压UG=2.2V
峰值电压表格
编号
1
2
3
4
5
6
电压值U/v
17.6
28.6
40.9
53.0
65.3
93.8
6.思考题
1.为什么IP-Ua呈周期性变化
答:
加速电压Ua刚开始升高时,极板电流也随之升高,直到加速电压Ua等于或者稍大于Ar原子的第一激发电压,这是在栅极G2附近电子与Ar原子发生非弹性碰撞,能量传递给Ar原子,Ar原子被激发。
这时候由于电子损失了大量的能量,不能够越过UR产生的拒斥场,使得到达极板的电子数目减少,所以电流开始下降,继续增加Ua,电子在于Ar原子碰撞后还能在到达G2前辈加速到足够的能量,克服拒斥场的阻力而到达极板P,这是电流又开始回升。
直到G2与K之间的电压为2Ug时,电子在G2附近又会因第二次非弹性碰撞而失去能量,并且受拒斥场的作用不能到达极板,Ip再次下降。
同理,随Ua增加,电子会在栅极G2附近与Ar原子发生第三次、第四次……非弹性碰撞,从而形成有规则起伏的Ua-Ip曲线。
2.拒斥电压Ur↑时,Ip如何变化?
答:
当Ur↑时,Ip↓。
当Ur达到一定程度电流表甚至会反向;当Uf↓时,Ip↓当Ug↓时Ip↑
3.灯丝电压Uf改变时,弗兰克——赫兹管内什么参量发生变化?
答:
Uf改变时,管内发射的电子数发生变化。
7.心得体会
本次实验虽然操作比较简单,但是要想透彻却不容易,实验里出现的可变条件很多,Uf、Ua、Ug、Ur,他们对于Ip的影响是我们需要考虑的,根据实验原理分析得到它们与Ip的关系并用实验证明是重点。
另外这些量联合作用效果又会不同,情况要复杂。
开始手动扫描之前找好各量之间关系确定最佳实验条件是难点。
这样在经过多次实验之后才能得到比较完美的结果。
本次实验需要较多探索,在开始的时候只告诉我们几个电压值的范围,而具具体应该取值当什么时候较好时却需要自己探索。
我刚开始实验时可能由于灯丝电压比较低,始终无法观察到Ip变化,后来调高了灯丝电压便观察到了变化,有时候就一点的电压变化就能够使得Ip有显著的变化。
不过灯丝电压太高也不可以,不仅会使得在后几个峰的时候超过微安表的量程,而且对于灯管也不利。
此外栅极电压和加速电压也不是越高越好,都有一个最适合的范围,来取得比较明显的效果。
在后面用电脑扫描的时候,刚开始的曲线不是很好,为了取得比较好的曲线,进行的比较多次的扫描,但是曲线的结果却始终不是很理想,最后仔细调节,并且不断比较最终得出了一个比较满意的结果,可能这个与灯管也有关系,毕竟如果灯管使用久了就会影响最终实验的
物理实验预习报告记录表格
Uf,UG,UR对实验现象的影响
数值
影响
Uf
UG
UR
峰值电压表格
编号
1
2
3
4
5
6
电压值U/v
手测量第一峰与第二峰表格
第一峰值/v
第二峰值/v
峰值差/v
1
2
3
4
5
6