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微机型弗兰克 赫兹实验仪操作原理
更新时间:2026-08-03
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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 。