弗兰克-赫兹试验的参数影响与试验思想分析-复旦大学物理教学试验.DOC

弗兰克-赫兹实验的 参数影响 实验思想 历史分析 严石 （复旦大学 材料物理 学号：07300300032） 摘要：使用控制变量法观察弗兰克-赫兹实验中不同参数，包括炉温T，VG1K，VG2P，VF对实验曲线的影响，给出定性解释。总结弗兰克-赫兹实验的实验思想。结合历史与弗兰克-赫兹实验，谈谈认识自然世界的规律。 关键词：弗兰克—赫兹实验；实验参数；实验思想；历史分析 引言：1914年，弗兰克—赫兹在研究气体放电时，发现透过汞蒸气的电子流大小随着加速电压的增大呈周期性变化。通过对于这一现象的分析，他们证明了原本处于基态的汞原子只有接受4.9ev的能量才能被激发。这一结论有着重大理论意义。它成功证实了原子能量是分立的这一微观世界的基本规律。加深了人们对于原子的认识。为此，他们分享了1925年诺贝尔物理学奖。但是弗兰克—赫兹实验所能揭示的不止这点：我们通过控制变量法对实验各个参数进行了分析，并从中定性地讨论了一些物理规律；我尝试摆脱具体的实验装置，抽象出其思想，并对其实验思想做出自己的总结；我结合弗兰克—赫兹实验的前后历史，试图将其放在历史大环境中予以考察，并从中总结出一些人们认识自然的规律。以上3项研究中，第一项研究已有较多参考文献[1]。并且对于弗兰克—赫兹实验的拓展，例如利用相同装置不同电路测量高激发态[2]或电离能[3]也已有人做过。 实验仪器：复旦双栅柱型四极式弗兰克—赫兹管 实验内容：一 在第一激发态的电路下用控制变量法测量各个参数影响 二 在高激发态的电路下用控制变量法测量各个参数影响 实验过程：我们是学着参考资料[3]做的，具体过程请参看参考资料[3] 实验结果分析： 一 第一激发态的参数分析（实验电路图如下） 参考曲线与参数 T=190C VF=1.4V VG1K=1V VG2P=1V 横坐标为VG2K，纵坐标为板极电流IP。我们在这里认为，板极电流仅与两个因素有关。单位时间内到达板极的电子个数。到达板极的电子的动能。这两者越大，板极电流越大。 仅改变温度T观察曲线 VF=1.4V VG1K=1V VG2P=1V 可见随着温度T的下降，曲线下移。我认为可以这么解释： 在T为190时。汞原子动能大且稀疏分散于G1G2区内。T为140时，汞原子动能小且相对密集地集中于G1G2区内。 汞原子动能大，则它易于与电子碰撞；汞原子密集，则它们易于与电子碰撞。 T下降，有两方面的作用：汞原子变密集与汞原子动能下降。第一因素有利与汞原子与电子碰撞，从而有降低电流的作用。第二因素不利于汞原子与电子碰撞，从而有升高电流的作用。而总的影响得看以上两个因素的综合作用。如果第一因素占优，则电流下降。如果第二因素占优，则电流上升。对于我们的实验管而言，在140~190C时，T下降导致的第一因素占优。 3改变VF观察曲线 T=190C VG1K=1V VG2P=1V 可见，VF升高，曲线上移。VF下降，曲线下移。这是因为，VF用于加热阴极K使其发射电子，VF愈大，则阴极单位时间内发出的电子数越多，且发出电子的平均动能越大，自然会使板极电流愈大。 4 改变VG2P观察曲线 T=190C VF=1.4V VG1K=1V 可见，VG2P增加，板极电流下降。这是因为，VG2P的作用是使在G2P区加上一个势垒，这个势垒使在G2处动能小于e(VG2P)的电子无法到达板极。所以VG2P增加，使板极电流下降。 5 改变VG1K观察曲线 T=190C VF=1.4V VG2P=1V 可见，VG1K从1V增大到2V，曲线略有下移。G1K降为0V，曲线相对大幅度下移。可见，VG1K与板极电流并非简单的单调关系。在阴极K处，由于电子是从K发出的且有的电子的初动能很小，必然会有一些动能很小甚至为0的电子由于碰撞而堆积在K附近。当堆积达到一定量时，便形成了一个足以阻碍电子运动的势垒，这一势垒，会降低进入G1G2区的电子动能，会阻碍一些能量小的电子进入G1G2区。VG1K的作用有二：第一，它有力地去除了在阴极K附近堆积的空间电荷，从而起到疏导的作用，使更多电子以更大动能进入G1G2区。这一作用是有助于板极电流的提高的。第二，VG1K使电子在KG1区内得到加速，获获得动能增量e(VG1K)进入G1G2区。但这一作用还有一副作用，就是电子的动能的增加可能会导致散射截面的增加，从而使它经过G1G2区时可能因碰撞而损失更多动能，导致板极电流下降。综合上述两个作用，可以定性解释以上曲线变化。VG1K变0V，空间电荷大量堆积，严重阻碍电子，板极电流大幅度变小。VG1K变2V，空间电荷消除，电子在G1处动能增大，但散射截面也增大，综合结果是在电子到达G2时动能略微变小，数量略微变少，从而曲线略