夫兰克_赫兹实验中影响曲线形状的因素分析

2008年6月第25卷第3期沈阳航空工业学院学报

Journa l o f Shenyang Institute of A e ronautica l Eng ineer i ng Jun . 2008V o. l 25 N o. 3

文章编号:10071385(2008) 03008603

夫兰克-赫兹实验中影响曲线形状的因素分析

周永军 祖新慧

(沈阳航空工业学院理学院, 辽宁沈阳 110136)

摘 要:夫兰克-赫兹实验是近代物理学重要的实验之一, 对物理学有深远的影响。主要分析实验中影响曲线形状的三个重要因素, 得出了这些因素变化时的实验曲线变化规律, 深入分析曲线变化的原因, 从而确定了氩原子夫兰克-赫兹实验的最佳工作参量。关键词:实验; 电压; 曲线中图分类号:O 562. 4

文献标识码:A

1913年, 丹麦物理学家玻尔(N.Bohr) 提出了一个氢原子模型, 并指出原子存在能级。该模型在预言氢光谱的观察中取得显著的成功。根据玻尔的原子理论, 原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。

1914年, 德国物理学家夫兰克和赫兹通过实验测量, 发现电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量, 且可以使原子从低能级激发到高能级, 最终证明了玻尔理论的正确。

夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段。通过夫兰克一赫兹实验, 可以了解在气体放电现象中低能电子与原子相互作用的思想和方法, 了解碰撞的微观过程与宏观表现之间的关系, 并可以测量原子的第一激发电位和电离电位。关于夫兰克一赫兹实验的研究已引起人们的普遍关注

[1-3]

都具有一定的能量, 且能量值彼此分立。原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时, 辐射频率是一定的。如果用Em 和En 分别代表两定态的能量, 辐射的频率 决定于如下关系:

h =Em -En (h 为普朗克常量) 实验原理如图1

所示

, 在夫兰克一赫兹实验中, 影响实验

图1 夫兰克 赫兹实验原理图

的因素十分复杂, 要得到理想的实验结果, 选择合

适的工作参量十分重要。本文以充氩四栅极式夫兰克一赫兹管为例, 讨论灯丝电压V F 、第一栅极电压V G1K , 和拒斥电压V G2A 等因素对夫兰克一赫兹实验曲线的影响, 从而确定了夫兰克一赫兹实验的最佳工作参量。

在充氩的夫兰克-赫兹管中, 电子由热阴极发出, 阴极K 和第二栅极G 2之间的加速电压U G 2K 使电子加速。在板极A 和第二栅极G 2之间加有反向拒斥电压U G2A 。

当加速电压U G 2K 从零开始增大时, 板极电流I A 随着增大, 当U G2K 增大到氩原子的第一激发电位U 0时, I A 转为下降。说明电子与氩原子发生了第一次非弹性碰撞。随着U G2K 的继续增大, 板流I A 又逐渐回升, 当U G2K 增大到2U 0时, I A 又转为下降, 说明电子与氩原子发生了第二次非弹性碰撞。以此类推, 随着U G 2K 的继续增大, 电子会, 1 实验原理

玻尔提出的原子理论指出, 原子只能较长时间停留在一些稳定的状态(简称为定态), 各定态

收稿日期:2007

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作者简介:周永军(1978), 男, 辽宁营口人, 工程师, 硕士

第3期 周永军等:夫兰克 赫兹实验中影响曲线形状的因素分析 87

板流I A 的相应下跌, 凡满足加速电压U G2K =n U o (n =1, 2, 3 ) 时, 板流I A 都会相应下跌, 形成规则起伏变化的I A ~U G2K 曲线

[4]

。

2 实验方法

以氩为被测气体, 实验采用ZKY -F H 型智能夫兰克一赫兹实验仪, 它由夫兰克一赫兹管、工作电源及扫描电源、微电流测量仪三部分组成。加速电压每增加0. 5V, 记录一次电流值。

3 影响曲线形状的因素分析

3. 1 灯丝电压对曲线的影响

[5-6]

如图2所示, 在第一栅极电压与反向拒斥电压不变的情况下, 改变灯丝电压分别为1. 9V 、2. 1V 、2. 3V 、2. 5V, 通过实验观察得出:随着灯丝电压增大, 实验曲线向上移; 反之, 灯丝电压降低, 实验曲线向下移。分析其原因如下:在第一栅极电压与反向拒斥电压不变的情况下, 灯丝电压的高低, 将直接决定阴极的工作温度, 从而直接影响阴极热电子的发射效率。灯丝电压越高, 单位时间内发射的电子数越多, 从而就会有更多的电子有机会到达板极, 从而使板极电流I A 增大。

如果灯丝电压过低, 如图2所示1. 9V, 灯丝电压所对应的曲线, 既不理想, 分辨率也低, 因此, 按照此曲线所求得的氩原子的第一激发电位与其公认值11. 5V 误差就大, 这是因为灯丝电压低, 致使阴极的热电子发射能力减小, 这不但不能使电子与氩原子在碰撞区保持一定的碰撞几率, 而且使板极A 所检测到的电流I A 大大减少, 使检测带来困难, 从而致使曲线的分辨率下降。

但如果灯丝电压太大, 本底电流上升, 也容易使阴极受热, 使阴极发射物质因蒸发太快而剥落, 管子易于老化, 所以在实验中应选取合适的灯丝电压。

3. 2 第一栅极电压对曲线的影响

如图3可知:当第一栅极电压较小时, 板极电流I A 也小, 同时波峰和波谷的差距小。随着第一栅极电压的增大, 板极电流I A 上升呈现峰谷明显的趋势, 但如果继续增大第一栅极电压, 板极电流回呈现极小的趋势, 并且波峰波谷又逐渐接近。

具体原因如下:由于阴极发射的电子初速度很小, 聚集在阴极附近形成空间电荷层, 其电势低于灯丝电势, 称为空间电荷效应。并且该空间

[7]

可以驱散阴极附近堆积的电子云, 消除空间电荷效应对电子发射的影响, 提高发射效率。. 改变第一栅极电压的大小可以控制阴极发射的电子流的大小, 而当第一栅极电压过大时, 会减小进入碰撞空间的电子流, 反而导致板流I A 下降。由于阴极的发射系数各有不同, 并且阴极与第一栅极之间的间距也略有差异, 因此在实验中, 应选取最佳的V G 1K 值。3. 3 反向拒斥电压对曲线的影响

反向拒斥电压为加在板极A 及栅极G 的反向电压, 当电子穿过栅极后, V G2A 将起阻碍电子到达板极的作用。

由图4可知:在灯丝电压与第一栅极电压不变的情况下, 分别选择四组反向拒斥电压U G 2A 分别为8V 、9V 、10V 、11V 进行实验。通过实验可得出:V G2A 越大, 实验曲线反而下移, 反之, V G2A 越小, 曲线上移。

具体原因如下:V G2A 是加在板极A 与第二栅极G 2之间的反向拒斥电压, 对电子到达板极起阻,

88 沈阳航空工业学院学报 第25卷

知, 灯丝电压、第一栅极电压、反向拒斥电压均是影响实验曲线变化的重要因素。针对实验室仪器的具体情况, 灯丝电压在2. 3V 、第一栅极电压为1. 5V 、反向拒斥电压为10V 时条件最佳。参考文献:

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[7]王丽香, 李宝胜. 夫兰克一赫兹实验最佳工作参量的确定[J ]

物理实验2006, 26(10):38-40

图4 反向拒斥电压对I A -V G2K 曲线的影响

所需能量越大, 但是, 在同样条件下, 拥有足够能量的电子数量是一定的, 所以随着V G2A 的增大, 符

合条件的电子越来越少, 从而到达板极的电子也随之变少, 导致板极电流I A 减小。

4 结论

通过以上对夫兰克-赫兹曲线形状的分析可

Factors analysis of affecti ng the curve s hape

i n fl ank -hertz experim ent

Z HOU Yong -j u n ZU X i n -hu i

(Science D epart m ent, Shenyang I nstit u te of Aeronautical Eng i n eering , L i a on i n g Shenyang 110136) Abst ract :F-H experi m ent is one o f the i m po rtant experi m ents i n m odern physics , and it have been grea t effect on the physics . In th is paper , Three factors affecti n g the curve i n Frank-H ertz experi m ent are studied , t h e curve transfor m regu larity by above--m en ti o ned factors is presented , and the reason is deeply ana l y zed , t h ereby the opti m ized para m eters of the F-H experi m ent is deter m ined . K eywords :Experi m en; t V oltage ; Curve