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1、第17卷第2期大 学 物 理 实 验 Vol.17No.22004年6月出版PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGEJun.2004文章编号:1007-2934(2004)02-0034-06夫兰克—赫兹实验的研究宋文福 冯正南 朱 力(北华大学,吉林,132013)摘 要 夫兰克—赫兹实验测出了汞原子的第一激发电位,证明了原子能级的存在,改变实验条件,图象会变化,本文即是对图象变化的研究与解释。关键词 激发态;平均自由程;弹性碰撞;非弹性碰撞;漏电流;峰值电流中图分类号:O442 文献标识码:A1 测汞
2、原子的第一激发电位在夫兰克—赫兹管中充斥以要测量的汞原子气体,电子由热阴极K出发,在K与栅极之间电场使电子加速,电子的加速在K、G1间进行,K、G1距离很近,小于电子在汞气中的平均自由程,与汞原子碰撞机会少,所以有可能提高电子的能量,然后在较大的G1、G2区域内进行碰撞,为了让电子与汞原子在G1、G2区域内充分碰撞,应该尽量使汞原子的间距小于电子的平均自由程,这就使F—H管内的气压及温度有了限制;为了使汞原图1 测量汞原子第一激电位实验曲线子不电离,我们仍要考虑加速电压的取值,同时为了区分电子与汞原子是弹性碰撞还是非弹性碰撞
3、以便测汞原子的第一激发电位,我们要顾全Vp的大小,由于上述的分析与阐述,收稿日期:2003-11-28—34—我们选择了在一定条件下去研究测量汞原子的第一激发电位条件:Vg1=1.0伏 Vg2=40伏 Vk=2.4伏 Vp=1.0伏 T=160℃用记录仪记录图象如图1(Vg1、Vg2代表两个栅极G1、G2的电压)由图1我们可以知道每1mm所代表电压数为4010V/78.0mm两个峰值间的平均距离为x=(9.5+9.5+9.6+9.8+10.0+9.6)/6mm则汞原子的第一激发电位的值Vg=40.0v/78.0mm3
4、[(9.5+9.5+9.6+9.8+10.0+9.6)/6mm]=4.91伏因为hυ=eVg 所以 c/λ=eVgλ=hc/(eVg)代入数值得λ=2500埃这是汞原子退激时所辐射的光波的波长,这说明了F—H实验证明原子内部能量是量子化的正确性。2 改变夫兰克—赫兹实验测汞原子的第一激发电位的实验条件,实验图象改变所反映的物理过程及实质。211 改变Vk条件:Vg1=1.0伏 Vg2=40伏 Vk=2.0伏 Vp=1.0伏 T=160℃用记录仪记录图象如图2图2 改变VK后的实验曲线与图1比较,到达板极P上的电流
5、Ip减小,而且峰值有一定的宽度,电流Ip的减小是由于电压的减小使阴极K所发出的电子减少,那么在碰撞后能到达板极P的电子数相应减少,所以板极P上的电流Ip减小,虽然电流Ip减小,但电流并不降为零,这主要由于电子与汞原子的碰撞有一定的几率,当大部分电子与汞原子碰撞失去能量时,总还有一些电子与汞原子没碰撞,这些电子将到达板极P形成漏电流,峰有一定的宽度是因为阴极发出的热电子的能量分布遵循费米—狄拉克分布,具有统计分布而形成的。212 改变Vg1条件:Vg1=2.0伏 Vg2=40伏 Vk=2.4伏 Vp=1.0伏 T=16
6、0℃用记录仪记录图象如图3与图1不同的是到达板极P的峰值电流Ip增大,这是因为栅极G1在实验中可以起到加速电压和输导电子,以防电子堆积的作用。当Vg1增大时,无论哪一个作用都可以使到达板极P的电子数增多,从而使电流Ip增大,若Vg1过大,会减小进入碰撞空间的电子流,导致板极电流Ip的下降。—35—图3 改变Vg1后的实验曲线213 改变Vp条件:Vg1=1.0伏 Vg2=40伏 Vk=2.4伏 Vp=2.0伏 T=160℃用记录仪记录图象如图4图4 改变Vg2后的实验曲线与图1比较,无论峰值电流还是漏电流都减小,这是
7、由于拒斥电压Vp增加,要求通过栅极G2的电子具有更高的能量才能到达板极P。由于电子的能量并未提高,而拒斥电压Vp却增大,这使能到达板极P的电子数减少,故电流Ip减小。214 改变Vg22.4.1 条件:Vg1=1.0伏 Vg2=25伏 Vk=2.4伏 Vp=1.0伏 T=160℃用记录仪记录图象如图5(1)与图1比较,Vg2减小后,在加锯齿波的一个周期出现的峰的个数减少,这是因为Vg2的电压值最多可以让电子与汞原子发生n=Vg2/Vg=25/(4.91)≈5次的碰撞而使汞原子激发,但由于接触电位差的存在,使真正加在电
8、子上的加速电压不等于Vg2,而是Vg2与接触电位的代数和,这影响了夫兰克—赫兹实验曲线第一峰值的位置,使图象发生偏移,所以峰的个数减少。—36—图5(1) 改变Vg2后的实验曲线a2.4.2 条件:Vg1=1.0伏 Vg2=60伏 Vk=2.4伏 Vp=1.0伏 T=160℃用记录
