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《夫兰克-赫兹实验炉温对于实验影响的探究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、夫兰克•赫兹实验炉温对于实验影响的探究引言:列兰克赫兹实验中有很多影响实验的因素，有一些是作为参数的可以设置，而有一些只能定性的分析；温度是一个可调的参数，这篇文章就是来探究实验中炉温对于整个实验的影响。摘要:夫兰克一赫兹实验是近代物理重耍实验Z-,对物理学冇深远彩响。本文在实验的基础上说明了一下影响实验的各个因素，并且重点地介绍了炉温对于汞原子第一激发态曲线的影响，得出炉温变化吋曲线的变化规律，并分析了原因。关键词:夫兰克一赫兹实验，炉温,平均自由程，第一激发态。正文:理论分析夫兰克赫兹实验中测量汞原了第一激发态的原理示意图如右图所示，从这个原理图中我们可以看出一
2、些可调的参数，Vf，Vgik，VG2P等,事实上，除此口J调的参数外，还有很多的其他影响实验的因素其他影响实验的主要因索冇：1＞接触电位差的影响F—H管阴极、栅极和板极往往釆用不同的金屈材料，因此会产生接触电位差，使真正加到电子上的加速电压不等于Vgk，而是Vgk与接触电位差的代数和。所以接触电位差的存在会使I~Vgk曲线左右偏移，也即是Vg2k二nVc+Vo(n=l,2,3...)审的V。2、热电了发射的影响(灯丝温度的影响)实验屮板极电流I的下降并不是突然的，I极大值附近出现的“峰”总会冇一定的宽度，这主要是由于从阴极发出的电子的能量符合麦克斯韦统计分布规律。3
3、^碰撞几率的影响曲于屯子与稀薄汞原子碰撞有一定的几率，即一部丰电子与汞原子发生非弹性碰撞损失能量后，不能克服拒斥电压到达板极从而造成板流下降，而另一部分电了未与汞原子发生非弹性碰撞，因此能够到达板极形成板流，所以板极电流下降不为0；乂因加速电压越高电子的能量就越大，电子与汞原子的碰撞儿率就越小，因此“谷点”电流值随着加速电压的增大而增大。4炉1温_对实验的景彳响实验中充汞的管了放念烘箱内加热，并维持在一定的适当的温度。这个温度对电子与原子的碰撞过程冇着关键性的影响。因为管内冇着足够量的液态汞，保证在使用温度范围总有一些液态汞存在，所以管内的汞蒸汽始终处于饱和状态。当
4、温度改变时，汞的饱和蒸汽压发生改变，也就是汞蒸汽的密度发生改变，从而导致电子与汞原子碰撞平均自由程变化。事实上整个实验的关键之处就在于平均自由程的选取…■也即温度的选取。现在我们來看一下电子的平均自由程：温度T=150°C时，电了热运动平均速率的数量级为Ve^io'ms'1,而蒸汽中汞原了热运动的平均速率的数量级为vHg^102ms'1,所以，在研究电了与原了碰撞的时候，可认为汞原子不动。与汞原子相比，电子尺寸很小，可用图2所示的模型计算一个电子在单位时间内与汞原子碰撞的次数图2连撞模型Z=7ir2Veno式中r为汞原了半径，no为汞原了密度。电子平均自由程二空」T
5、nrlVenO由分了物理可知n0=P/kT代入上式得:nr2F式中T是汞蒸汽温度（K）,P是饱和汞蒸汽压强。下表1是几种气体的原了直径气体2r/X10-8Hg3He2.5Ne3.54Ar
6、3.6Kr3.14XeI4表2各温度下电子的平均自由程温度/°c压强/mmHg压强/po平均自由程/mm
7、1000.271936.252.090291100.457260.961.275571200.745799.42
8、0.801971301.186158.130.51675
9、1401.845246.000.340221502.807374.260.22891「1604.18955
10、&53
11、0.156931706.125816.66
12、0.10975
13、1808.7961172.80
14、0.0781119012.4231656.40I0.05326表2数据是根据《近代物理实验1》①算出来的我们知道，炉温的大小决定汞原子低能级或高能级的激发。在K,G空间的加速电场中，电了在每个平均口由程内，获得的能量为庖(在相邻两次碰撞之间电子由电场获得的能量),E为K,G空间加速电场的场强，e为电子的电量。曲上表可以看出随着温度的升高，屯子的平均自曲程变短。所以，温度较高的时候，平均自由程短,W值较小，因而激发汞原了较低的能级的几率大；反Z,温度较低，则入大，W值较
15、大，电子冇可能去激发汞原子较高能级乃至使汞原子电离。因此，在F—H管中激发的是什么跃迁，取决于温度的控制。实际上电子的平均自由程不仅与温度和气压有关，而且还与电子的速度以及电子和原子之间的相互作用势冇关，对电子速度较低的情况更是如此(舟绍尔汤森效应)，但是在通常情况卜.他们对口由程的影响比较小，所以这里我们不考虑他们。实验验证实验设置参数：室内温度17.0°C,室内湿度62%扫描电压范围0-70.2V,Vf=2.4V,VGik=1.2V,VG2P=2.5Vo将炉温升高并使其稳定在一个合适的温度，所谓“合适”的温度是指在此温度下，电子的平均自由程的大小有利于激发3
