微机型弗兰克 赫兹实验仪操作原理

微机型弗兰克  赫兹实验仪操作原理

基于‌玻尔原子定态理论‌，通过控制电子在充氩（或汞）管中与原子发生‌弹性/非弹性碰撞‌，观测板极电流随加速电压呈‌周期性起伏‌，从而测定原子‌第一激发电位‌并验证能量量子化；微机系统负责‌自动扫描加速电压‌、‌采集微电流数据‌及‌绘制 I-V 曲线‌。‌‌

核心物理原理

‌能级量子化‌：原子只能处于分立的定态能级，电子动能小于第一激发能时发生‌弹性碰撞‌（能量几乎无损失）；达到或超过第一激发能时发生‌非弹性碰撞‌，电子将特定能量（E_1-E_0E

1

 −E

0

 ）传递给原子使其跃迁，自身动能骤减 。

‌电流周期性变化机制‌：

加速电压 V_V

G2K

  较低时，电子动能不足激发原子，电流随电压单调上升。

当 eV_ \approx n \cdot \Delta EeV

G2K

 ≈n⋅ΔE（n=1,2,3...n=1,2,3...）时，电子在到达板极前经历 nn 次非弹性碰撞，损失大部分动能，无法克服拒斥场电压 V_V

G2P

 ，导致板极电流 I_PI

P

  急剧下降（波谷）。

电压继续增加，电子在碰撞后剩余能量足以再次加速并克服拒斥场，电流回升，形成下一个波峰。

‌结论判定‌：相邻波峰（或波谷）间的电压差 \Delta VΔV 即为该气体原子的‌第一激发电位‌（氩原子约为 11.5V-13.1V，汞原子约为 4.9V）。‌‌

仪器结构与关键电压作用

微机型实验仪通常采用‌双栅柱面型四极式 F-H 管‌（充氩气），包含热阴极 K、第一栅极 G1、第二栅极 G2 和板极 P：

‌灯丝电压 (V_FV

F

 )‌：加热阴极发射热电子，决定电子初速度分布及发射数量（典型值 3V-5V）。

‌控制栅电压 (V_V

G1K

 )‌：消除阴极附近空间电荷效应，控制进入加速区的电子流密度（典型值 1V-2V）。

‌加速电压 (V_V

G2K

 )‌：在 K-G2 间建立电场，使电子获得动能并与原子碰撞；由微机控制从 0V 线性扫描至 90V 。

‌拒斥电压 (V_V

G2P

 )‌：在 G2-P 间建立反向减速电场，筛选能量足够的电子到达板极形成电流（典型值 2V-8V）。‌‌

微机化操作流程与模式

微机型仪器相比传统手动设备，核心在于‌自动化数据采集‌与‌波形实时显示‌：

‌开机预热‌：各电压旋钮/按键调至最小 -> 开启电源 -> 预热 10-15 分钟（稳定灯丝温度及管内气体状态）。

‌参数预设‌：根据仪器铭牌或指导值设定 V_FV

F

 、V_V

G1K

 、V_V

G2P

  为固定值，保持恒定 。

‌测量模式选择‌：

‌示波器观察模式‌：将 V_V

G2K

  接示波器 X 轴，I_PI

P

  接 Y 轴，扫描置“自动"，直接观察 I_P-V_I

P

 −V

G2K

  动态曲线。

‌手动测量模式‌：手动缓慢调节 V_V

G2K

 ，逐点记录电压与电流值，适用于理解过程或校准。

‌微机自动采集模式‌：连接串口/USB，启动采集软件，设定扫描范围（如 0-90V）和采样密度，仪器自动完成扫描、A/D 转换并绘制完整曲线，软件可自动计算峰值间距 。

‌关机保护‌：实验结束先将各电压调至最小 -> 关闭电源 -> 关闭计算机及外设，防止高压冲击损坏 F-H 管 。‌‌

注意事项与数据处理

‌安全红线‌：严禁在电压未归零时通电或断电；灯丝电压过高会导致阴极中毒或管子击穿；若电流急剧增大（电离现象）应立即降低加速电压 。

‌数据修正‌：由于电子初始能量服从统计分布及接触电势差影响，实测曲线峰值略有展宽，需取‌多个相邻峰值电压的平均差值‌作为第一激发电位，而非单点读数 。

‌环境因素‌：充汞管需严格控温（影响蒸气压），充氩管可在室温下进行但需避免剧烈震动破坏玻璃管结构 。‌‌