FD-F-H实验仪说明书

FD-FH-Ⅰ

夫兰克—赫兹实验仪

说

明

书

上海复旦天欣科教仪器有限公司

中国 上海

FD-FH-Ⅰ型 夫兰克—赫兹实验仪

一、仪器简介

本实验仪是用于重现1914年夫兰克和赫兹进行的低能电子轰击原子的实验设备。实验充分证明原子内部能量是量子化的。学生通过实验建立原子内部能量量子化的概念，并能学习夫兰克和赫兹研究电子和原子碰撞的实验思想和实验方法。

本实验仪为一体式实验仪，设计紧凑，面板直观，功能齐全，操作方便。提供给夫兰克—赫兹管用的各组电源电压稳定，测量微电流用的放大器有很好的抗干扰能力。实验仪能够获得稳定优良的实验曲线。本实验仪实验方法多样，除实测数据外还可和示波器,X-Y记录仪，及微机连用。本实验仪适用于大专院校开设近代物理实验和普通物理实验，也可以作为原子能量量子化教学的演示实验。

二、仪器性能和面板功能

1、夫兰克—赫兹实验管

F-H管为实验仪的核心部件，F-H管采用间热式阴极、双栅极和板极的四极形式，各极均为圆筒状。这种F-H管内充氩气，玻璃封装。电性能及各电极与其他部件的连接示意图如下：

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2、F-H管电源组

提供F-H管各电极所需的工作电压。性能如下： a．灯丝电压VF， 直流 1.3~5V，连续可调； b．栅极G1—阴极间电压VG!，直流，0~6V，连续可调； c．栅极G2—阴极间电压VG2，直流，0~90V，连续可调； 3、扫描电源和微电流放大器

扫描电源提供可调直流电压或输出锯齿波电压作为F-H管电子加速电压。直流电压供手动测量，锯齿波电压供示波器显示，X-Y记录仪和微机用。微电流放大器用来检测F-H管的板流IP。性能如下：

a．具有“手动”和“自动”两种扫描方式：“手动”输出直流电压，

0~90V，连续可调；“自动”输出0~90V锯齿波电压，扫描上限可以设定。

b．扫描速率分“快速”和“慢速”两档：“快速”是周期约为20次/S

锯齿波，供示波器和微机用；“慢速”是周期约为0.5次/S的锯齿波，供X-Y记录仪用。

c．微电流放大测量范围为10?9，10?8，10?7，10?6A四档。 4、夫兰克—赫兹实验值IP和VG2分别用三位半数字表头显示。另设端

口供示波器，X-Y记录仪，及微机显示或者直接记录IP~VG2曲线的各种信息。

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5、面板及功能

夫兰克--赫兹仪u电源输出自动快速输出手动慢速上海复旦天欣科教仪器有限公司 1.IP显示表头（表头示值?2）指示挡后为IP实际值）；

2.IP微电流放大器量程选择开关，分1?A、100nA、10nA、1nA四档； 3.数字电压表头（与8）相关，可以分别显示VF、VG1、VP、VG2值，其中VG2值为表头示值?10V）； 4.VG2电压调节旋钮； 5.VP电压调节旋钮； 6.VG1电压调节旋钮； 7.VF电压调节旋钮；

8.电压示值选择开关，可以分别选择VF、VG1、VP、VG2； 9.IP输出端口，接示波器Y端，X-Y记录仪Y端或者微机接口的电流输入端；

10.VG2扫描速率选择开关，“快速”档供接示波器观察Ip～VG2曲线或微机用，“慢速”档供X-Y记录仪用；

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11.VG2扫描方式选择开关，“自动”档供示波器，X-Y记录仪或微机用，“手动”档供手测记录数据使用；

12.VG2输出端口，接示波器X端， X-Y记录仪X端，或微机接口电压输入用； 13.电源开关。

三、仪器使用说明

1、示波器演示法

a．连好主机后面板电源线，用Q9线将主机正面板上 “VG2输出”与示波器上的“X相”（供外触发使用）相连，“Ip输出”与示波器“Y相”相连；

b．将扫描开关置于“自动”档，扫描速度开关置于“快速”档，微电流放大器量程选择开关置于“10nA”；

c．分别将“X”、“Y”电压调节旋钮调至“1V”和“2V”，“POSITION”调至“x?y”，“交直流”全部打到“DC”； d．分别开启主机和示波器电源开关，稍等片刻；

e．分别调节VG1、VP、VF电压（可以先参考给出值）至合适值，将

（以F-H管不击穿为界），直至示波器上呈现充VG2由小慢慢调大

氩管稳定的Ip～VG2曲线； 2、手动测量法

a．调节VG2至最小，扫描开关置于“手动”档，打开主机电源； b．选取合适的实验条件，置VG1、VP、VF于适当值，用手动方式逐渐增大VG2，同时观察IP变化。适当调整预置VG1、VP、VF值，使

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VG2由小到大能够出现5个以上峰。

c．选取合适实验点，分别由数字表头读取VP和VG2值，作图可得

IP~VG2曲线，注意示值和实际值关系。

例：IP表头示值为“3.23”，电流量程选择“10nA”档，则实际测量“32.3nA”；“6.35”，实际值为“63.5V”。 IP电流值应该为VG2表头示值为

四、注意事项

1、仪器应该检查无误后才能接电源，开关电源前应先将各电位器逆时针旋转至最小值位置。

2、灯丝电压VF不宜放得过大，一般在2V左右，如电流偏小再适当增加。

3、要防止F-H管击穿（电流急剧增大），如发生击穿应立即调低VG2 以免F-H管受损。

4、F-H管为玻璃制品不耐冲击应重点保护。

5、实验完毕，应将各电位器逆时针旋转至最小值位置。

五、仪器配置

主机（包括F-H管，扫描电源，微电流放大器等） 1台 示波器 1台（选配） 微机接口 1台（选配） 电源线 1根 Q9线 1根 使用说明书 1份

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夫兰克—赫兹实验

一、实验概述

1914年，夫兰克和赫兹在研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中，发现透过汞蒸气的电子流随电子的能量显现有规律的周期性变化，能量间隔为4.9eV。同一年，使用石英制作的充汞管，拍摄到与能量4.9eV相应的光谱线253.7nm 的发射光谱。对此，他们提出了原子中存在“临界电势”的概念：当电子能量低于与临界电势相应的临界能量时，电子与原子的碰撞是弹性的；而当电子能量达到这一临界能量时，碰撞过程由弹性转变为非弹性，电子把这份特定的能量转移给原子，使之受激；原子退激时，再以特定频率的光量子形式辐射出来。1920年，夫兰克及其合作者对原先的装置做了改进，提高了分辨率，测得了亚稳能级和较高的激发能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的。1925年，夫兰克和赫兹共同获得了诺贝尔物理学奖。

通过这一实验，可以了解夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用的实验思想和方法，电子与原子碰撞的微观过程是怎样与实验中的宏观量相联系的，并可以用于研究原子内部的能量状态与能量交换的微观过程。

二、实验原理

根据玻尔理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中每一状态对应于一定的能量值，各定态的能量是分立的，原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差地能量。如果处于基态的

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原子要发生状态改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要地能量。夫兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态地跃迁。 电子与原子碰撞过程可以用以下方程表示：

1111mev2?MV2?mev?2?MV?2??E； 2222其中me是电子质量，M是原子质量，v是电子的碰撞前的速度，V是原子的碰撞前的速度，v?是电子的碰撞后速度，V?是原子的碰撞后速度，?E为内能项。因为me??M，所以电子的动能可以转变为原子的内能。因为原子的内能是不连续的，所以电子的动能小于原子的第一激发态电位时，原子与电子发生弹性碰撞?E?0；当电子的动能大于原子的第一激发态电位时，电子的动能转化为原子的内能?E?E1，E1为原子的第一激发电位。

夫兰克—赫兹实验原理如图1所示，充氩气的夫兰克—赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和栅极G1之间的加速电压VG1使电子 加速，在板极P和栅极G2之间有减速电压VP。当电子通过栅极G2进

入G2P空间时，如果能量大于eVP，就能到达板极形成电流IP。电子在G1G2空间与氩原子发生了弹性碰撞，电子本身剩余的能量小于eVP，

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则电子不能到达板极，板极电流将会随着栅极电压的增加而减少。实验时使VG2逐渐增加，观察板极电流的变化将得到如图2所示的

IP～VG2曲线。

随着VG2的增加，电子的能量增加，当电子与氩原子碰撞后仍留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速电场而到达板极P时，板极电流又开始上升。如果电子在加速电场得到的能量等于2?E时，电子在G1G2空间会因二次非弹性碰撞而失去能量，结果板极电流第二次下降。

在加速电压较高的情况下，电子在运动过程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞，在IP～VG2关系曲线上就表现为多次下降。对氩来说，曲线上相邻两峰（或谷）之间的VG2之差，即为氩原子的第一激发电位。这即证明了氩原子能量状态的不连续性。

三、实验仪器

夫兰克—赫兹实验仪 1台 示波器 1台 电源线 1根

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Q9线 2根

四、实验过程

1、别用Q9线将主机正面板上“VG2输出”和“Ip输出”与示波器上的“CH1onX”和“CH2onY”相连，将电源线插在主机后面板的插孔内，打开电源开关；

2、把扫描开关调至“自动”档，扫描速度开关调至“快速”，把Ip 电流增益波段开关拨至“10nA”；、

3、打开示波器的电源开关，并分别将“X”、“Y”电压调节旋钮调至“1V”和“2V”，“POSITION”调至“x?y”，“交直流”全部打到“DC”；

4、分别调节VG1、VP、VF电压至主机上部厂商标定数值，将VG2调节至最大，此时可以在示波器上观察到稳定的氩的Ip～VG2曲线； 5、将扫描开关拨至“手动”档，调节VG2至最小，然后逐渐增大其值，寻找IP值的极大和 极小值点，以及相应的VG2值，即找出对应的极值点（VG2，IP），也即Ip～VG2关系曲线中波峰和波谷的位置，相临波峰或波谷的横坐标之差就是氩的第一激发电位；（注：实验记录数据时，IP电流值为表头示值“?10nA”，；VG2实际测量值为：表头示值?10V）

6、每隔1V记录一组数据，列出表格，然后描画氩的Ip～VG2关系曲线图。

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