弗兰克-赫兹试验中汞的能态曲线的走势研究复旦大学物理教学试验.docVIP

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弗兰克-赫兹试验中汞的能态曲线的走势研究复旦大学物理教学试验

弗兰克-赫兹实验中汞的能态曲线的走势研究 复旦大学 材料科学系 05级电子科学与技术 李功恒 0530125 摘要:在弗兰克—赫兹实验中,汞的第一激发能态曲线整体走势是“向上的”,即接受到的电子数量是随着加速电压的增大而增大的。本文研究为什么会出现这种结果。 关键词:近代物理、汞的第一激发能态曲线、弗兰克—赫兹实验、电子与汞原子的碰撞 引言:在弗兰克—赫兹实验,如果注意汞原子的第一激发能态曲线,就会发现它的整个走势是向上的。不管是后一个峰相对前一个峰,还是后一个谷相对前一个谷,都是随着加速电压的增大而增大的。弗兰克-赫兹实验关注的是峰与峰或谷与谷的间距,即能量量子话的观察。我在做实验的时候注意到曲线走势向上这一现象,之后又思考出现这一现象的原因,在本文中我将详细说明我对这一现象的解释。 理论/实验部分: 实验中电路原理图如下: 本实验采用复旦双栅柱面型四极式弗兰克-赫兹管,如左侧所示。所用的电路原理图如上图所示:热子F与阴极K构成傍热式氧化物阴极。其发射的电子由VG1K引出到碰撞区,之后又被VG2K反复的加速,同时和汞原子不停的碰撞。最后,能量超过减速电压VG2P的电子到达P板。宏观上就可以观测到电流表上的有电流显示。 理论模型: 被加热的灯丝放出电子,它们的初始动能和运动方向都是不同的,但都沿着平行于加速电场的方向上被加速,即平行于加速电场的方向上电子的动能是始终增加的。 由于电子的初始动能不同,它们在平行于加速电场的方向上被加速的过程中,使汞原子跃迁到第一能级的先后顺序也不同。 动能最大的那个电子无疑最先使汞原子激发,也最先到达P板。(黑色小球代表运动电子,箭头长短表示速度大小,箭头所指表示运动方向。) 由于电子的运动方向不同,所以它们在使汞原子激发之前一瞬间的运动的方向是不一样的。但是,在使汞原子激发之后,该电子的能量大部分被消耗,垂直于加速电场的方向和平行于加速电场的方向上的能量都被减少。随后的过程就是,能量被极大消耗的电子继续在平行于加速电场的被加速。当运动电子的能量达到4.89eV后又可以和汞原子碰撞,使之激发,同时使自己的能量减少。其整个过程可用下表表示: 理想碰撞模型: 电子的能量有平行于加速电场的能量和垂直于加速电场的能量两部分组成。 假设和说明:电子都是在5eV时和汞原子碰撞,且碰撞完后剩余0.11eV的能量,运动方向和碰撞前相同。 三次碰撞 示意图 运动方向和电场方向夹角 45度 6度 0.138度 垂直于加速场上能量 2.5eV 0.055eV 0.012 平行于加速场能量 2.5eV 4.945eV 4.988 从上表可以看出,三次碰撞,电子的运动方向和和加速电场的方向之间的夹角由45度到6度,再到0.138度,整个趋势是碰撞越多,电子的运动方向和加速电场的方向之间的夹角越小。而加速电压的增加的直接导致电子和汞原子的碰撞次数增多。 结果与讨论: 首先,从加速电压很小的情况来看,加速电子很可能只有一次碰撞机会,那么如果电子剩余在垂直加速电场方向上较大的话,它就可能达不到P板。而如果它碰撞的次数增多,那么电子在垂直加速电场方向的能量就逐渐变小,而平行于加速电场的能量就逐渐变大,这一点,上表很清楚的表示。 从下图可以清楚的看出,后一个峰相对前一个峰,后一个谷相对前一个谷是随着加速电压的增大逐渐增大的。也就是说,到达P板的电子数是随着加速电压的增大而增多的。从上面的讨论知道,这是由于碰撞过程总,碰撞次数越多,电子运动方向越向加速电场靠拢的缘故。 结论:一个碰撞、加速过程就像一个方向校准过程,每碰撞、加速一次,电子运动方向就向加速电场方向接近一点。碰撞、加速,碰撞、加速,这样的循环进行着,使得电子运动不停的向加速电场的方向校准。碰撞、加速循环也就是校准循环,加速电压越大,这样的校准循环次数就越多,因此到达P板的电子就越多。这样就可以观察到上图中P板电流整体随电压升高而增大的现象了。 致谢:感谢潘老师和余老师的指导,感谢搭档孟祥星的合作。 参考文献: 1.《近代物理实验》复旦大学近代物理实验中心 2.《基础物理实验》沈元华、陆申龙 编著

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