夫兰克—赫兹实验的探究 - 复旦大学物理教学实验中心Fudan Physics .DOC

夫兰克—赫兹实验的探究 B10 07300300036 宋恩名 关键词:第一激发态 四参量 峰间距 峰值电流 本底电流 较高激发态 摘要:本次实验我们在完成基础近代物理实验中对实验的要求后,再次对HG原子第一激发态的实验曲线进行了探究,结合各位老师在口头报告上的提议和意见,主要对原有的实验结果和分析上抓住了三个切入点(以第一激发态为重点分析对象)进行探究: 1.由第一激发态的测量分析四参量对于电子能量的影响.(T= VF=1.4V VGIK=1V VG2P=1V为标准曲线) 2.第一激发态的峰间距变化 3.对峰值电流与本底漏电流的讨论 正文： 由于实验原理不难理解,本文不打算对其花大篇幅进行叙述,只是简单介绍。夫兰克—赫兹实验利用低能电子和汞蒸汽原子的非弹性碰撞证实原子能级的量子化,即当电子具有动能为二个能级的能量差且低能级上有足够原子布居时,电子就有较大几率发生共振吸收,使汞原子激发至较高能级,而电子失去动能不能到达收集极导致I-V曲线会突然发生电流下降这一现象。左边是实验中第一激发态的电路图： 一.第一激发态中四参量对于实验曲线的影响及分析 在我们之前已经有大量的前辈和老师对于这个命题做出研究,而且外面的论文文献大多也是围绕着这个方向.在这里我想通过阅读文献和资料,再结合自己的实验数据和结果,做出一个较为彻底的自己的探究。 首先明确四参量的物理意义：VF，灯丝电压，用于发射阴极电子和控制热电子平均初动能；VGIK，控制电压，起到输导电子和小正向加速电压作用；VG2P，拒斥电压，使部分能量小的电子无法到达P板；T，炉温，用于调节管内饱和蒸汽压，影响原子分布及其动能从而对平均自由程造成影响。 通过实验，我们发现对于实验室内的仪器而言，T= VF=1.4V VGIK=1V VG2P=1V时的曲线最佳。因而我以此条件下的图形作为我的标准曲线（如下图），便于接下来采用控制变量法分别改变四参量观察曲线的变化，进而讨论其变化的实质。标准曲线（横轴为扫描加速电压） (1)只改变灯丝电压VF 其他条件不变，仅仅改变灯丝电压。分别使VF=1.0V和VF=1.8V,得到以下的曲线(进行ORIGIN操作对比后的图样): a.可比较观察发现,当灯丝电压增大时,灯丝温度增高.导致1.阴极发射的单位电子数量增高;2.发射热电子的平均初动能增高.所以必然导致单位时间内到达P板的电子更快、更多。造成结果即是实验曲线整体上移。 b.再观察第一峰位对应的电压值，可发现随着VF的增大，峰位整体左移现象明显。从理论角度分析：VF增大致使发射电子动能增大。在较小的加速电压下电子就能获得较大的能量使汞原子激发到第一激发态，因此所需的电压加速就相应小了，实验曲线就会左移。为了更好地说明这一点，利用峰位数与加速电压的线性拟合关系下图即VF=1.4和VF=1.0V时的峰位电压和峰位数的关系图，注意方框区域,右边图样将其放大，可看出红线斜率更大，说明VF=1.0V时各峰位相应更大。 c.降低VF,在谷值处电流不为0,因为电子与HG原子有一定的碰撞几率,总会有一些电子没有参与碰撞而形成漏电流.而参考文献,阴极发射的热电子具有遵循费米--狄拉克分布的特性,统计分布从而使峰有一定的宽度. (2)只改变控制电压VG1K 保持标准曲线下,仅改变VG1K分别为0V和2V,分析对实验曲线影响。 从两个个方面探究其影响。 a.VG1K中栅极在实验中起到了输导电流和小量加速电场的作用，防止空间电荷堆积现象。看到曲线随着VG1K增大，曲线上移，说明VG1K有正向电压的作用。 进一步分析，比较VG1K=1V与2V的区别，可看出VG1K=2V反而略在下方，重复几次实验，发现：当VG1K增大到一定的值后反而会减少进入碰撞区间的电子数，本实验中此值在1-2V之间。 b.VG1K=0V时峰位电压间距变化较为明显，尤其在前几个峰位间距中。说明VG1K对抑制空间电荷堆积效应有着明显的作用，它的增大可有效地消除虚势垒。 （3）只改变拒斥电压VG2P 其他条件不变，将标准条件下VG2P=1V改为VG2P=2V。 同标准曲线相比，VG2P的增大使通过栅极G2的电子数量减少，因为电子需要更多的能量才能到达P板，从而使IP减少，曲线下移。 此外，VG2P的存在使得部分电子无法到达P，在管内继续加速，这就对峰位间距形成了影响。加速电压越大这种影响理论上来说越大。 （4）只改变炉温T 将炉温改变为=和=,观察对曲线的影响. 与标准曲线相比,我们得到了炉温升高,曲线上移这一与理论相悖的概念.此外,图中可看出炉温上升曲线整体右移. 从理论上来分析,当炉温增大时,汞原子饱和密度和自身动能都增大,电子平均自由程较短,即电子碰撞几率就很小,会有很多电子不经过非弹性碰撞就直接到达P板上,曲线应该上移.另一方面,由于电子平均自由程较短电