原子定态能级实验报告.docx

原子定态能级的观测实验人:一、实验目的1、通过测量汞原子第一激发电位，了解夫兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化问题时所采用的基本实验方法；2、了解电子与原子碰撞和能量交换的微观图像，和影响这个过程的主要物理因素。二、实验原理原子定态能级的观测实验的原理如图1所示，其中充汞的三极管称为夫兰克—赫兹（F—H）管。电子由热阴极K发射，阴极K和栅极G之间的加速电压VGK使电子加速，在阳极A与栅极G间加有反向拒斥电压VAG，管内空间电位分布如图2所示。当电子通过KG空间进入GA空间时，如果能量E≥eVAG，就能冲过反向拒斥电场而到达阳极A而形成阳极电流，由微电流计检出。如果电子在KG空间与汞原子碰撞，把自己的一部分能量给了汞原子后而使后者激发的话，则水银蒸汽发出一条明线光谱，同时电子也有可能在通过栅极后本身所剩余的能量已不足以克服反向拒斥电场而被折回到栅极，这时通过微电流计的电流将显著减小。图3所示的曲线就是夫兰克和赫兹当年测得的电子在KG空间与汞原子进行能量传递的情况。该曲线的明显特征是：（1）随VGA的增加，板流IA 显示出一系列极大值和极小值；（2）各极大值（或各极小值）之间的间距为4.9伏。三、实验装置本实验的实验装置包括夫兰克—赫兹 (F—H)管，夫兰克——赫兹实验仪,WMZK型温度指示控制仪，Tektronix TDS3012B数字荧光示波器以及Keithley 2700数据采集/程控开关/数字多用表。F-H管的工作原理如图4。图中VF为灯丝电压，1－6V连续可调；VG1K为第一栅极与阴极之间的电压，0－5V连续可调；VG2P为第二栅极与阳极之间的电压（即反向电压），0－15V 连续可调；V加速为加速电压，0－90V调节（手动连续可调或自动扫描）；微电流测量范围10-4－10-7A；测量精度≤5%。夫兰克——赫兹实验仪外形图如图5所示，每个控制部件的作用为（序号与外形对应）：前面板，包括1．电源—电源开关接通时,指示灯亮。2．加速— 手动调节加速电压,采用多圈电位器,调节幅度为0— 90V以上。3． VG2P —为第二栅极与阳极之间的电压（即反向电压），调节幅度0－15V。4． VG1K为第一栅极与阴极之间的电压，0－5V。5． VF—控制F-H管的灯丝电压，幅度为1—6V。6．记录仪—用于连接记录仪 X，Y输入端。7．电流表—微电流计各档电流指示。8．量程—微电流计换档开关10-4 —10-7 A。9．选择—工作方式换挡开关,分别对应手动,记录仪,示波器和计算机四个功能。10．电压—电压指示换档开关，结合数字面板表的指示，可分别显示加在 F-H 管上的四个电压。11．数字面板表—用于电压指示。后面板，包括1．Y —用于示波器观察,接示波器Y输入。2．X—用于示波器观察,接示波器X输入。3．计算机接口—用于计算机。4．增益调节—用于调节输入计算机的“F-H管电流信号”幅度大小。5．增益调节0~15V —调节输入到示波器X轴的电压幅度。6．外接 F-H管—用于连外部的F-H管，此时不用内部的 F-H管。四、实验步骤（一）、使用方法1、接上WMZK温度指示控制仪电源，打开开关，控制仪绿灯亮。调节温度控制开关，定好目标温度（见F-H管侧面），加热约半小时，控制仪红灯亮，表示加热完成，可进行实验。2、 F-H实验仪开机前将微电流级置于10-7A档，各档电压分别旋到最小值。3、接通电源，按照F-H管所提供的各极电压参考数据设置电压（F-H管各极电压参考数据贴在管的侧面板上）。先将电压选择开关置于VF位置，调节VF（1~6V）旋钮，观察数字面板表上指示的电压到参考电压的数值；然后将电压选择开关置于VG1K位置；调节VG1K旋钮；再将电压开关置于VG2P位置，调节VG2P旋钮。4、实验仪提供了四种工作方式：（1）、手动工作方式：先把选择开关打到“记录仪”位置，由实验仪进行自动扫描，从电流表上观察指针的偏转情况，适当调节VF、VG1K、VG2P旋钮，观察各旋钮对指针偏转的影响，尽量使指针偏转最大而不“打表”（见注意事项3），找出实验的最佳工作点（F-H管上提供的电压数据可作参考，若无法调出更佳的工作点，实验时可采用参考数据）。调节出最佳工作点后，将选择开关拨到“手动”位置，电压开关调在“加速”位置，缓慢调节“加速”多圈电位器，从电流表上可观察到峰信号，用面板读出峰信号所对应的电压值，并逐点记录数据，即可在坐标纸上绘出谱峰IA~VGK曲线。（2）自动采集方式用数字示波器辅助找寻最佳工作点a.记录仪Y接CH1,X接CH2b.示波器工作方式“X-Y”显示，余辉时间无穷，实验仪“选择”档旋至“记录仪方式”。CH1、CH2的灵敏度分别为1.00V和500mV。显示15-18个波峰。c.改变工作电压，找到最佳工作点。用2700数据采集系统测Ip-V加速