馮 娟，張 賀，趙 飛

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 北京 100083)

1 實(shí)驗(yàn)原理

1914年，物理學(xué)家夫蘭克和赫茲采用低速電子與稀薄氣體原子碰撞的辦法，使原子從低能級激發(fā)到高能級. 通過測量電子與被碰撞原子之間交換能量的特征，測定了汞原子的第一激發(fā)電勢，直接證明了原子能級的存在；并驗(yàn)證了原子發(fā)生躍遷時(shí)吸收或發(fā)射的能量完全是確定的、不連續(xù)的，從而為玻爾理論提供了直接而獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)證據(jù). 實(shí)驗(yàn)中所用的夫蘭克-赫茲儀用于測定氬原子的第一激發(fā)電位，實(shí)驗(yàn)原理[1-2]如圖1所示.

圖1 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理圖

F-H管為四極管(其中充以氬氣)，包括陰極(K，燈絲部分)、2個(gè)柵極G1和G2，和1個(gè)板極P(也稱陽極). 第一柵極G1靠近陰極K，為控制柵極，其作用是加正向電壓VG1，用以消除電子在陰極附近的堆積效應(yīng)，并起到控制電子流大小的作用. 第二柵極G2靠近陽極P，第一柵極與第二柵極間距較大，這是為了保證在常溫下氣體原子有足夠高的碰撞概率. 陰極K在燈絲電壓Vf的加熱下發(fā)射電子，隨著加速電壓VG2的增加，電子的能量逐漸增加. 具有一定能量的電子主要在G1和G2空間內(nèi)與原子發(fā)生碰撞交換能量，對能量是原子第一激發(fā)能量整數(shù)倍的電子發(fā)生碰撞后而失去其全部能量，在反向電場Vp的作用下被阻止而不能達(dá)到陽極P，而對具有其他能量的電子，則仍有足夠能量穿過G2極而到達(dá)陽極P，這樣隨著VG2電壓的增加，電流Ip會出現(xiàn)明顯的周期性的起伏變化和等間距的極大和極小值. 從相鄰的波峰或波谷所示的電壓差值，即可求得原子的第一激發(fā)電位.

2 傳統(tǒng)測量方法

本實(shí)驗(yàn)采用FD-FH-1夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀，如圖2所示.

圖2 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀

1)直接在夫蘭克-赫茲儀上尋找極值點(diǎn)

將掃描開關(guān)撥至“手動”擋，調(diào)節(jié)VG2至最小，然后逐漸增大其值，尋找IP的極大和極小值點(diǎn)，以及相應(yīng)的VG2值，即找出對應(yīng)的極值點(diǎn)(VG2，IP)[1]. 2個(gè)波峰或波谷的VG2之差就是第一激發(fā)電位.

2)描點(diǎn)畫圖尋找極值點(diǎn)

調(diào)節(jié)VG2至最小，然后逐漸增大其值，每隔1 V測量1組數(shù)據(jù)，列表記錄對應(yīng)的(VG2，IP)數(shù)值，畫出IP-VG2曲線擬合圖[3]. 從曲線上尋找IP值的極大或極小值點(diǎn)，以及相應(yīng)的UG2值，即IP-VG2關(guān)系曲線中波峰或波谷的位置，由圖求出第一激發(fā)電位[4].

在教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)電流IP的讀數(shù)不穩(wěn)定，會出現(xiàn)一直上升或下降的現(xiàn)象，經(jīng)過一段時(shí)間之后，電流變化趨于緩慢. 廠家的解釋是：電子管受熱后，發(fā)射的電子數(shù)目不穩(wěn)定，所以會出現(xiàn)電流讀數(shù)跳動的現(xiàn)象. 但這給學(xué)生測量帶來了困擾，不知該何時(shí)讀數(shù). 學(xué)生測量存在困難，而使結(jié)果不準(zhǔn)確.

3 改進(jìn)后的測量方法

利用示波器光標(biāo)“cursor”功能測量波峰或波谷所對應(yīng)的VG2值，在示波器上直接讀出波峰或波谷的電位，如圖3所示.

圖3 利用“cursor”功能測量波峰或波谷對應(yīng)的VG2值

該方法減小了讀數(shù)時(shí)的誤差，提高了測量精度. 通過控制變量的方法，分別改變燈絲電壓Vf、第一柵極電壓VG1、拒斥電壓Vp的大小，還可以在示波器上直觀地觀測IP-VG2曲線的變化[5]. 有助于學(xué)生尋找最佳的工作參量，正確地設(shè)定參數(shù)值，得出精確地測量結(jié)果. 分析不同變量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，有助于學(xué)生理解各個(gè)實(shí)驗(yàn)參量的物理意義，更加深刻理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容. 此外，溫度的變化也會對信號強(qiáng)度有一定影響[6]，在實(shí)驗(yàn)中還可以通過改變溫度，在示波器上直觀的觀測到IP-VG2曲線的變化，確定溫度與信號強(qiáng)度之間的關(guān)系.

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)直接在儀器上尋找極值點(diǎn)或描點(diǎn)畫圖尋找極值點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較單一，較為枯燥，學(xué)生容易產(chǎn)生厭煩情緒；并且電流讀數(shù)不穩(wěn)定，學(xué)生測量存在困惑. 本文對原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，利用示波器上顯示的IP-VG2波形圖，使用光標(biāo)“cursor”功能測量波峰或波谷所對應(yīng)的VG2值，在示波器上直接讀出波峰或波谷的電位. 該方法減少了讀數(shù)時(shí)個(gè)人因素的影響，提高了測量精度；豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了學(xué)生的興趣；并且鍛煉了學(xué)生對示波器的使用，收到較好的教學(xué)效果.

參考文獻(xiàn)：

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