原子定态能级的观测实验报告.docx
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原子定态能级的观测实验报告
实验30原子定态能级的观测实验报告
【背景资料】
1914年，夫兰克（）和赫兹（）用慢电子和稀薄气体原子碰撞的方法，成功地使原子从低能级激发到高能级；通过测量电子和原子碰撞时传递的能量值，得出了原子发生跃变时吸收和发射的能量是不连续的，而且是完全确定的结论。
从而玻尔的量子能态的假设，被夫兰克和赫兹作出了最直接的实验验证。
【实验目的】
1.通过汞原子第一激发电位的测量，了解弗兰克和赫兹在研究原子内部能级问题时所采用的基本实验方法。
2.了解电子与原子碰撞和能量交换的微观图像和影响这个过程的主要物理因素。
【实验装备】
弗兰克-赫兹管弗兰克-赫兹试验WMZK型温度指示控制仪TektronixTDS3012B数字荧光示波器Keithley2700数据采集/程控开关/数字多用表
【实验原理】
原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。
设汞原子的基态能量为E，第一激发态的能量为E’，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是E’－E。
初速度为零的电子在电位差为U的加速电场作用下具有能量ｅU，若ｅU小于E’－E，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。
当电子的能量ｅU≥E’－E时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸收相当于Ｅ’－Ｅ的那一部份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。
原子定态能级的观测实验的原理如图1所示，电子由热阴极K发射，阴极K和棚极G之间的加速电压V使电子加速，在阳极A与棚极G见加有反向拒斥电压V，管内空间电位分布如图2所示。
当电子通过KG空间进入GA空间时，如果能量E≥eV，就能冲过反向电场而到达阳极A而形成阳极电流，由微电流计
检出。
如果电子在KG空间与汞原子碰撞，而使后者激发的话，则水银蒸汽发出一条明线光谱，同时电子也有可图1F-H实验原理图能剩余能量与不足以克服反向电场而被折回到棚极，这时通过微电流计的电流将显著减少。
图3所示的曲线就是测得的电子在KG空间与汞原子进行能量传递的情况。
该曲线的明显特征是：
（1）随VGA的增加，板流IA显示出一系列极大值和极小值；
（2）各极大值（或极小值）之间的间距为。
【【实验内容】
F-H管的工作原理如图外形图示与图5，每个控制部件的作用为：
前面板，包括：
1.电源-电源开关接通时，指示灯亮。
2.加速-手动调节加速电压，采用多圈电位器，幅度为0~90V以上。
第二棚极与阳极之间的电压，调节幅度为0~15V。
第一棚极与阴极之间的电压，幅度为0~5V。
控制F-H管的灯丝电压，幅度为1~6V。
6.记录仪-用于连接记录仪X,Y输入端。
7.电流仪-微电流计各档电流指示。
8.量程-微电流计换档开关，分四档，10ˉ4~10ˉ7A。
9.选择-工作方式选择开关。
10.电压-电压指示换挡开关，可分别指示加在F-H管上的四个电压。
11.数字面板表-用于电压指示。
后面板，包括：
接示波器Y输入。
接示波器X输入。
3.计算机接口
4.增益调节-用于调节计算机的F-H管电流信号幅度大小。
5.增益调节0~15V-调节输入到示波器X轴的电压幅度。
6.外接F-H管-用于连接外部的F-H管。
【实验步骤】
1.使用方法
（1）接上WMZK温度指示控制仪电源，打开开关。
调节温度控制开关，定好目标温度，加热约半小时，控制仪红灯亮，表示加热完成。
（2）F-H试验仪开机前将微电流计置于10ˉ7A档，各档电压分别旋到最小值。
（3）接通电源，按照F-H管所提供的各级电压参数设置电压。
先将电压选择开关置于VF，调节VF、VG1K、VG2P旋钮，观察指示的电压到参考电压的数值；然后将选择开关置于VG1K位置；调节VG1K旋钮；再将电压开关置于VG2P位置，调节VG2P旋钮。
（4）试验仪提供了四种工作方式：
A.手动工作方式：
先把选择开关达到“记录仪”位置，由试验仪进行自动扫描，从电流表上观察指针的偏转情况，适当调节VF、VG1K、VG2P旋钮，观察各旋钮对指针偏转的影响，尽量使指针偏转最大，找出实验的最佳工作点。
将选择开关拨到“手动”位置，电压开关调到“加速”位置，缓慢调节“加速”多圈电位器，从电流表上可观察到峰信号，用面板读出峰信号所对应的电压值，并逐点记录数据，在坐标纸上绘出谱峰IA-VGK曲线。
B.示波器工作方式:
（参考实验室提供的使用资料）
C.计算机工作方式：
（参考实验室提供的使用资料）
2．注意事项
（1）实验仪前面板的记录仪X输入负端（黑色接线柱）不能与记录仪Y输入负端（黑色接线柱）连接，否则要损坏仪器。
（2）使用前应先阅读说明书中有关控制部件作用部分的说明，以帮助正确掌握仪器的使用范围和操作方法。
（3）灯丝电压对F-H管的工作状态影响最大，调节时以每次改变为宜。
在测量过程中，当慢慢加大加速电压时，电流表指针应出现最大，最小摆动的信号；如发现电流表指针突然超出量程（打表现象），则F-H管有电离，可马上减小加速电压，然后改变F-H管的工作电压（如减小灯丝电压）。
长时间处于电离状态会损坏F-H管，使用中需加以注意。
（4）实验仪使用了一段时间后，F-H管的工作条件可能与原先提供的参考数据有偏离，可调节灯丝电压，使电流信号增大。
（5）刚开机测量时的信号电流大小与连续工作后的信号电流大小也有差别，若发现信号电流增大许多，可切换电流量程或适当减少灯丝电压。
3.数据处理
1.平均法求第一激发电位值
（1）方法一是直接取激发曲线中各峰（或谷）位间距的平均值作为第一激发电位值。
（2）方法二是从实验曲线中扣除本底电流的影响，即将激发曲线的各极小值连成一条光滑曲线，用IA的实验值减去这条光滑曲线上对应的本底电流值，便得到一条差值曲线。
以差值曲线各峰（或谷）位间距的平均值作为第一激发电位值。
2.曲线拟合求第一激发电位（参考实验室提供的实验数据分析资料）
【实验数据处理】
A.手动工作方式
最佳工作点为：
VF=,VG1K=,VG2P=,F-H管目标温度为：
185℃
IA-VGK关系如表1所示：
表1
VGK/V
IA/10-9A
VGK/V
IA/10-9A
VGK/V
IA/10-9A
VGK/V
IA/10-9A
由该表画出IA-VGK关系图如下：
图曲线
1、平均法求第一激发电位：
方法1：
①直接从激发曲线中各峰位间距的平均值作为第一激发电位
表2.各峰值VGK
VGK（V）
IA（10-7A）
VGK（V）
IA（10-7A）
VGK（V）
IA（10-7A）
由上表可得：
第一激发电位值为
V={++++++—（++++++）}/7/7V=
标准误差
=
第一激发电位值V=±
②直接从激发曲线中各谷位间距的平均值作为第一激发电位
表2.各谷值VGK
VGK（V）
IA（10-7A）
VGK（V）
IA（10-7A）
VGK（V）
IA（10-7A）
由上表可得：
第一激发电位值为
V={（++++++）-（++++++）}/7/7V=
标准误差
=
第一激发电位值V=+
方法二：
从实验曲线中扣除本底电流的影响，即将激发曲线的各极小值连成一条光滑曲线，用IA的实验值减去这条光滑曲线上对应的本底电流值，便得到一条差值曲线。
以差值曲线各峰（或谷）位间距的平均值作为第一激发电位值。
取激发曲线图7的所有极小值点，经多项式拟合后作图如下：
Y=
图6本底电流拟合曲线
在激发曲线图4中扣除本底电流，得到校正后的激发曲线图7：
图7校正后的激发曲线
表3.扣除本底电流后的峰值
VGK（V）
IA（10-9A）
VGK（V）
IA（10-9A）
VGK（V）
IA（10-9A）
由上表可得：
第一激发电位值为
V={（++++++）-（++++++）}/7/7V=
标准误差
=
第一激发电位值V=+
2.曲线拟合求第一激发电位
图8.曲线拟合第一激发电位图
拟合结果为：
VGK=+*N由R-Square=可知数据的线性相关性很好。
汞原子第一激发电位值为：
V=+
B.计算机工作方式
最佳工作点为：
VF=,VG1K=,VG2P=,
F-H管目标温度为：
185℃
电脑采集数据见实验室2号桌，
E:
\2008光信息\08323063钟耀男08323054林世杰\temp2
根据数据用Origin画出IA－VGK关系图线如图9所示
图9IA-Vgk曲线
表4峰值及谷值
峰值
峰值
谷值
谷值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
方法一.用逐差法计算：
对峰值逐差：
=64=
=
所以，第一激发电位值为V=+
对谷值逐差：
=64=
=
所以，第一激发电位值为V=+
方法二：
从实验曲线中扣除本底电流的影响，即将激发曲线的各极小值连成一条光滑曲线，用IA的实验值减去这条光滑曲线上对应的本底电流值，便得到一条差值曲线。
以差值曲线各峰（或谷）位间距的平均值作为第一激发电位值。
取激发曲线图7的所有极小值点，经多项式拟合后作图如下：
二次拟合得到的曲线方程为IA=在激发曲线图9中扣除本底电流，得到校正后的激发曲线图11
图11校正后的激发曲线
表5.扣除本底电流后的峰值
峰值
峰值
谷值
谷值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
由上表可得：
第一激发电位值为
=64=
标准误差
=
所以，第一激发电位值为V=+
2.曲线拟合求第一激发电位
图12.曲线拟合第一激发电位图
拟合结果为：
VGK=+*N由R-Square=可知数据的线性相关性很好。
汞原子第一激发电位值为：
V=+
【思考题】
1．在数据处理的方法一中，直接取激发曲线中各峰（或谷）位间距的平均值作为第一激发电位值。
这种方法是否合理为什么
这种方式不太合理。
因为它没有扣除本体电流的影响，本底电流是一条随电压递增的曲线，电流的各峰值不一定为实际电流达到峰值的值，因此会有较大的误差
2．F-H管的IA~VG1K曲线中，相邻两波峰或波谷VG1K之差表示什么波峰为什么要有一定宽度波谷点的IA为什么不等于零，且随VG1K的增大而增大。
（1）相邻两波峰或波谷之差表示汞原子吸收的电子的能量，即第一激发电压。
（2）电子并非都是刚一达到激发电位就会与汞原子发生非弹性碰撞，而是存在一定几率到达阳极，当IA达到最大值后并不会马上减小，因此波峰有一定的宽度。
（3）波谷点的IA不为零，因为并不是全部电子都会与汞原子发生完全非弹性碰撞，仍有小部分电子会到达反射极；随着VGK的增大，到达反射极的电子的数量也会增大，所以波谷点的IA会随着VGK的增大而增大。
3．IA~VG1K曲线中第一个波峰的VG1K是否就是第一激发电位为什么
不是。
因为在计算电子的能量的过程中，有本底电压的影响，且需要考虑到阴极材料的逸出功，反向电压等多种因素，第一个波峰的VG1K与第一激发电位并没有直接的关系。
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