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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
2、识码:A1测汞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FH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
3、与汞原子是弹性碰撞还是非弹性碰撞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:2003-11-2834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400V/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
4、第一激发电位的值Vg=40.0v/78.0mm*[(9.5+9.5+9.6+9.8+10.0+9.6)/6mm]=4.91伏因为h=eVg所以c/=eVg=hc/(eVg)代入数值得=2500埃这是汞原子退激时所辐射的光波的波长,这说明了FH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。21改变Vk条件:Vg1=1.0伏Vg2=40伏Vk=2.0伏Vp=1.0伏T=160用
5、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。22改变V
6、g1条件:Vg1=2.0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23改变Vp条件:Vg1=1.0伏Vg2=40伏Vk=2.4伏Vp=2.0伏
7、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。24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
8、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=1
