弗兰克赫兹实验将汞蒸气换成其他气体电压差还是4.9V么,说明理由
来源:学生作业帮助网 编辑:六六作业网 时间:2024/09/09 02:32:41
弗兰克赫兹实验将汞蒸气换成其他气体电压差还是4.9V么,说明理由
弗兰克赫兹实验将汞蒸气换成其他气体电压差还是4.9V么,说明理由
弗兰克赫兹实验将汞蒸气换成其他气体电压差还是4.9V么,说明理由
一般来说换了气体,测出的电压差会变的,因为电子的速度决定了电压差的大小,而电子的速度也决定了电子的动能,不同的气体第一激发态一般不同,能引起激发的碰撞电子的速度也会相应改变
玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……,处在这些状态的原子是稳定的,称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变,只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态;②原子从一个定态跃迁到另一个定态时,它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量,则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定:
hv=|Em-En|(45—1)
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玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……,处在这些状态的原子是稳定的,称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变,只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态;②原子从一个定态跃迁到另一个定态时,它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量,则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定:
hv=|Em-En|(45—1)
式中:h为普朗克常量。
原子从低能级向高能级跃迁,也可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。本实验即让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为E1,第一激发态的能量为E2,从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是E2-E1。初速度为零的电子在电位差为U的加速电场作用下具有能量eU,若eU小于E2-E1这份能量,则电子与汞原子只能发生弹性碰撞,二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量eU≥E2-E1时,电子与汞原子就会发生非弹性碰撞,汞原子将从电子的能量中吸收相当于E2-E1的那一份,使自己从基态跃迁到第一激发态,而多余的部分仍留给电子。设使电子具有E2-E1能量所需加速电场的电位差为U0,则
eU0=E2-E1(45—2)
式中:U0为汞原子的第一激发电位(或中肯电位),是本实验要测的物理量。
实验方法如图45—1所示,在充汞的F—H管中,电子由热阴极发出,阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K?使电子加速。第一栅极对电子加速起缓冲作用,避免加速电压过高时将阴极损伤。在板极P和G2间加反向拒斥电压UpG2?。当电子通过KG2空间,如果具有较大的能量(≥eUpG2?)就能冲过反向拒斥电场而达到板极形成板流,被微电流计pA检测出来。如果电子在KG2空间因与汞原子碰撞,部分能量给了汞原子,使其激发,本身所剩能量太小,以致通过栅极后不足以克服拒斥电场而折回,通过电流计pA的电流就将显著减小。实验时,使栅极电压UG2K?由零逐渐增加,观测pA表的板流指示,就会得出如图45—2所示Ip~UG2K?关系曲线。它反映了汞原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。当UG2K?逐渐增加时,电子在加速过程中能量也逐渐增大,但电压在初升阶段,大部分电子达不到激发汞原子的动能,与汞原子只是发生弹性碰撞,基本上不损失能量,于是穿过栅极到达板极,形成的板流Ip随UG2K?的增加而增大,如曲线的oa段。当UG2K?接近和达到汞原子的第一激发电位U0时,电子在栅极附近与汞原子相碰撞,使汞原子获得能量后从基态跃迁到第一激发态。碰撞使电子损失了大部分动能,即使穿过栅极,也会因不能克服反向拒斥电场而折回栅极。所以Ip显著减小,如曲线的ab段。当UG2K?超过汞原子第一激发电位,电子在到达栅极以前就可能与汞原子发生非弹性碰撞,然后继续获得加速,到达栅极时积累起穿过拒斥电场的能量而到达板极,使电流回升(曲线的bc段)。直到栅压UG2K?接近二倍汞原子的第一激发电位(2U0)时,电子在KG2间又会因两次与汞原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥电场,使板流第二次下降(曲线的cd段)。同理,凡
(45—3)
处,Ip都会下跌,形成规则起伏变化的Ip~UG2K?曲线。而相邻两次板流Ip下降所对应的栅极电压之差,就是汞原子的第一激发电位U0。
处于第一激发态的汞原子经历极短时间就会返回基态,这时应有相当于eU0的能量以电磁波的形式辐射出来。由式(45—2)得
eU0=hν=h·c/λ(45—4)
式中:c为真空中的光速;λ为辐射光波的波长。
利用光谱仪从F—H管可以分析出这条波长λ=253.7(nm)的紫外线。
【实验要求】
1)测绘F—H管Ip~UG2K?曲线,确定汞原子的第一激发电位
(1)加热炉加热控温。将温度计棒插入炉顶小孔,温度计棒上有一固定夹用来调节此棒插入炉中的深度,固定夹的位置已调整好,温度计棒插入小孔即可。温度计棒尾端电缆线连接到“传感器”专用插头上,将此传感器插头插入控温仪后面板专用插座上。接通控温电源,调节控温旋钮,设定加热温度(本实验约180℃),让加热炉升温30min,待温控继电器跳变时(指示灯同时跳变)已达到预定的炉温。
(2)测量F—H管的Ip~UG2K?曲线。实验仪的整体连接可参考图45—3,将电源部分的UF调节电位器、扫描电源部分的“手动调节”电位器旋钮旋至最小(逆时针方向)。扫描选择置于“手动”挡。微电流放大器量程可置于10-7A或10-8A挡(对充汞管)。待炉温到达预定温度后,接通两台仪器电源。根据提供的F—H管参考工作电压数据,分别调节好UF、UG1、UG2?,预热3~5min。
(a)手动工作方式测量。缓慢调节“手动调节”电位器,增大加速电压,并注意观察微电流放大器出现的峰谷电流信号。加速电压达到50V~60V时约有10个峰出现。在测量过程中,当加速电压加到较大时,若发现电流表突然大幅度量程过载,应立即将加速电压减少到零,然后检查灯丝电压是否偏大,或适当减小灯丝电压(每次减小0.1V~0.2V为宜)再进行一次全过程测量。逐点测量Ip~UG2K?的变化关系,然后,取适当比例在毫米方格纸上作出Ip~UG2K?曲线。从曲线上确定出Ip的各个峰值和谷值所对应的两组UG2K?值,把两组数据分别用逐差法求出汞原子的第一激发电位U0的两个值再取平均,并与标准值4.9V比较,求出百分差。若在全过程测量中,电流表指示偏小,可适当加大灯丝电压(每次增大0.1V~0.2V为宜)
(b)自动扫描方式测量。将“手动调节”电位器旋到零,函数记录仪先不通电,调节“自动上限”电位器,设定锯齿波加速电压的上限值。可先将电位器逆时针方向旋到最小,此时输出锯齿波加速电压的上限值约为50V,然后将“扫描选择”开关拨到“自动”位置。当输出锯齿波加速电压时,从电流表观察到峰谷信号。锯齿波扫描电压达到上限值后,会重新回复零,开始一次新的扫描。在数字电压表、电流表上观察到正常的自动扫描及信号后,可采用函数记录仪记录。记录仪的X输入量程可置于5V/cm档,Y输入量程可按电流信号大小来选择,一般可先置于0.1V/cm档。开启记录仪,即可绘出完整的Ip变化曲线。
【注意事项】
(1)实验装置使用220V交流单相电源,电源进线中的地线要接触良好,以防干扰和确保安全。
(2)函数记录仪的X输入负端不能与Y输入的负端连接,也不能与记录仪的地线(⊥)连接,否则要损坏仪器。
(3)实验过程中若产生电离击穿(即电流表严重过载现象)时,要立即将加速电压减少到零。以免损坏管子。
(4)加热炉外壳温度较高,移动时注意用把手,导线也不要靠在炉壁上,以免灼伤和塑料线软化。
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