弗兰克赫兹实验.docx

弗兰克赫兹实验.docx

《弗兰克赫兹实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《弗兰克赫兹实验.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

弗兰克赫兹实验

实验三弗兰克—赫兹实验

1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。

他们采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化（勒纳则观察碰撞后离子流的情况）。

通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。

一．实验目的

1、学习夫兰克和赫兹研究原子内部能量的基本思想和实验设计方法。

掌握测量原子激发电势的实验方法。

2、测量汞原子的第一激发电势，从而验证原子能级的存在。

二．实验原理

实验仪所用的夫兰克-赫兹管是一只充氩气的四极管,各电极的符号、引出线及各电压的关系如图1所示:

图1夫兰克-赫兹管结构图

第一栅压（G1）与阴极（K）之间加上约1.5V至2V的电压,其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响。

给灯丝（H）加热时,阴极的氧化层即发射电子,在UG2K间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。

但起始阶段,由于电压UG2K较低,电子的能量较小,即使在运动过程中它与原子相碰撞（为弹性碰撞）,也只有微小的能量较换。

这样,穿过第二栅极的电子所形成的极流IA将随UG2K的增加而增大（见下页图2中0A段）。

图2IA—VG2K曲线

当UG2K达到氩原子的第一激发电位时,电子在第二栅极附近与氩原子碰撞（此时产生非弹性碰撞）,电子把从加速电场中获得的全部能量传递给氩原子,使氩原子从基态激发到第一激发态,而电子本身由于把全部能量传递给了氩原子,所以电子即使能穿过第二栅极,也不能完全克服反向拒斥电场而部分被拆回第二栅极。

所以板极电流IA将显著减小（如图

（2）AB段）,以后随着第二栅极电压UG2K的增加,电子的能量也随之增加，电子与氩原子相碰撞后还留下足够能量，这就可以克服拒斥电场的作用力而到达板极A,这时电流又开始上升（如图

（2）BC段）,直到UG2K是氩原子的第一激发电位的二倍时,电子在G2K间又会因第二次非弹性碰撞而失去能量,因而造成第二次板极电流的IA下降（如图

（2）CD段）,这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。

若UG2K以为横坐标,以板极电流IA为纵坐标就可以得到相应的谱峰曲线,两相邻谷点（或峰尖）间的加速电压差值,即为氩原子的第一激发电位值。

这个实验说明了夫兰克-赫兹管内的缓慢电子与氩原子碰撞,使原子从低能级被激发到高能级,通过测量氩的第一激发电位值，证明波尔原子能级的存在。

三．实验装置

弗朗克-赫兹实验仪面板如下图所示：

电流显示电压显示电压显示切换灯丝电压切换倍率转换

ONOFF手动自动

XY1.3V-5V1.3V-15V0-100V扫描调节

图3弗朗克—赫兹实验仪面板

1.电流显示[显示电流IA（mA）]

2.电压显示[显示各电压值（V）]

3.手动与自动[手动档测量与自动档进行示波器观察波形]

4.扫描调节[自动档时调节扫描电压]

5．灯丝电压切换[灯丝电压UH选择开关]

6.倍率转换[微电流倍率选择（10-6-10-9A）]

7.电压显示切换[电压显示换档切换开关]

8.1.3-5V档[UG1K]调节旋扭

9.1.3-15V档[UG2A]调节旋扭

10.0-100V档[UG2K]调节旋扭

11.ON-OFF[电源开关]

12.X输出[Q9线连接示波器的外触发（EXT）]

13.Y输出[Q9线连接示波器的CH1或CH2通道]

四．实验内容与步骤

1.实验之前将所有旋扭逆时针旋到底，然后插上电源,将电源开关置于“ON”位置,数字表发光,表明电源已接通，将仪器预热五分钟。

2．将“手动-自动”开关置于“手动”档，逆时针将“扫描调节”旋扭旋到底。

3.将“电压显示切换”开关置于“1.3-5V”，调节“1.3-5V”旋扭，使电压表显示2V左右，即第一栅极电压UG1K为2V左右。

4.将“电压显示切换”开关置于“1.3-15V”，调节“1.3-15V”旋扭，使电压表显示7V左右，即阳极至第二栅极电压UG2A（拒斥电压）为7V左右。

5.将“电压显示切换”开关置于“0-100V”，调节“0-100V”旋扭，使电压表显示0V即阴极至第二栅极电压UG2K（加速电压）为0V。

6．缓慢旋转“0-100V”调节旋扭，同时观察电流表指示数值的变化。

随着UG2K（加速电压）的增加，电流表的指示值出现周期性的峰值和谷值。

（倍率从10-9开始做起，当电流表数值溢出时，切换到下一倍率档。

）记录相应的电压值（UG2K）和电流值（IA），填入下列表格中（电流表指示数值的单位为毫安（mA），乘以倍率才是电流IA的值（单位A）。

），并作出以电压（UG2K）为横坐标，电流（IA）为纵坐标的谱峰曲线。

（建议采用的各电压值：

UH:

4V,UG1K:

2V,UG2A:

7V。

）

表1UG2K-IA表

UG2K/V

IA/mA

UG2K/V

IA/mA

UG2K/V

IA/mA

7．进行自动测量时，需将“手动-自动”开关置于“自动”档，同时将“0-100V”即UG2K逆时针旋到底，将“倍率转换”置于“10-8”档，并将“扫描调节”旋扭顺时针旋到底。

将面板上的‘X输出’接到示波器（使用方法见附录）的‘外触发’（EXT）上（确认示波器的触发方式为‘外触发’），再将面板上的‘Y输出’接到示波器的‘CH1’或‘CH2’上，观察示波器上出现的相应的谱线。

五．注意事项

（1）进行手动实验时，电压加到60V以后，要注意电流输出指示，当电流表忽然陡增，应立即减小电压，以免夫兰克-赫兹管击穿损坏。

（2）本实验仪器灯丝电压分：

AC3.0V,3.5V,4.0V,4.5V,5.0V,5.5V,6.3V共七档，用户可在不同的灯丝电压下进行上述实验，如果发现波形失真，可适当改变灯丝电压。

六．附录

示波器的使用方法

示波器能直接观察电信号的波形，并能测量电压，电流，频率，本角的大小，它是生产，科研中经常用到的电子仪器。

示波器有传统的模拟示波器和数字液晶示波器。

1．模拟示波器

由示波管（阴极射线管），扫描、整步装置，放大部分（包括垂直及水平放大两部分）和电源部分组成。

各部分的工作原理分述如下，具体线路不作介绍。

（1）示波管是示波器的主要元件。

双踪示波管的原理与单踪示波管类似，我们以单踪示波管来说明，其结构如附图4-4-8所示，各部分的作用

图4-4-8示波管示意图

说明如下：

K为阴极，通电加热时，便发射电子。

M为调制极，控制电子发射多少，即控制电子射线的亮度。

A1和A2为第一阳极和第二阳极，加速电子并控制电子束聚焦于荧光屏上，屏上的荧光物质发光形成一个亮点。

在荧光屏和第二阳极之间装有两对相互垂直的平行板电极，若在任一对极板上加以电压，则电子束受电极间电场的作用而发生偏转，此时亮点在屏上的偏转的大小

和所加的电压成正比。

（2）扫描整步装置：

若在垂直偏转极板上加一个交变电压，那么，荧光屏上的光点就不再固定在一个位置上，而是随电压的变化在垂直方向做来回的直线运动，在屏上可以看到一条发亮的直线，若在水平偏转极板上加一个随时间线性变化的电压，光点在水平方向作匀速直线运动。

如果两个电压同时加上去，则光点在荧光屏的运动轨迹即反映了垂直方向所加的电压随时间变化的规律。

为了达到此目的，示波器装有一种叫锯齿扫描电压发生器的装置。

它能发生一种锯齿形电压，其特点是，电压从

开始（

）随时间成正比地增加。

在

增加到

。

然后迅速返回到

（速度很快可以看作仍在时间

）然后再开始作与时间成正比增加，不断重复前述过程。

这时电子束在荧光屏上作相应运动，即亮点由左（

）匀速地向右运动（

），在

时飞速回到左端，然后再重复前述过程。

如果在垂直偏转极板上加一个正弦电压，又在水平极板上加锯齿形电压，则荧光屏上的亮点同时参与两种运动，它的运动轨迹为正弦图形。

这种由于在水平方向加锯齿形电压后，使垂直方向上电压随时间的变化情况得到展示的过程称为扫描。

称为扫描同期。

称为扫描频率。

为了使纵向变化电压如实地稳定地描绘出来，一定要满足两个条件。

即①扫描电压的变化一定要与时间成正比，即一定要加锯齿形电压。

②扫描频率

一定要与垂直方向电压的变化频率

相同或互为整数倍时图形才会稳定。

此时称为两者同步。

为了达到此目的，示波器的锯齿形扫描电压的频率必须可以调整。

改变扫描电压频率使之与被观察电压频率成整倍数关系，叫做同步调节。

示波器上设有两个旋钮：

扫描范围（扫描频率）旋钮用来粗调；扫描微调旋钮用作精细调节。

细心调节它们，就可以大体上满足要求，但有时这种人工调节的方法仍难使图形静止不动，待测电压的频率越高时，问题就越突出。

为此，示波器内还装有自动频率跟踪装置，称为“整步”。

在人工调节接近满足同步条件下，再加入“整步”的作用，就能获得稳定的波形。

（3）放大部分：

通常示波管的偏转极板所需电压很高，有时待观察信号的电压或扫描发生器所产生的扫描电压不高，所以示波器内还有放大器，垂直偏转极前的放大器称为垂直放大器，水平偏转极前的放大器称为水平放大器。

有时待观察的信号的电压很高，直接输入会使放大后的信号发生畸变，所以示波器内还装有衰减器。

它利用分压的方法将输入电压降低后再输入放大器。

（4）供电部分：

示波器内装有电源变压器及各级整流器，它们给以上各部分提供所需要的交、直流电源。

本实验中所用的是一种通用的双通道示波器。

面板图控制件如附图4-4-9所示。

图4-4-9示波器面板控制件位置图

1、辉度（INTEN）：

调节光迹线的亮度。

2、辅助聚焦：

与聚焦配合，调节光迹的清晰度。

3、聚焦（FOCUS）调节光迹线的清晰度。

4、轨迹旋转：

调节光迹与水平刻度线平行。

5、校正信号：

提供幅度为0.5V，频率为1KHz的方波信号用于校正10：

1探极的补偿电容器和检测示波器垂直与水平的偏转因数。

6、电源指示：

电源接通时，灯亮。

7、电源开关（POWER）：

电源接通或断开。

8、Y1移位：

调节通道1光迹在屏幕上的垂直位置。

9、Y2移位：

调节通道2光迹在屏幕上的垂直位置。

10、方式：

选择系统的工作方式。

按下“Y1”时通道y1单独显示，按下“Y2”时通道

单独显示，按下“交替”时y1和y2交替工作，荧光屏同时出现两个信号的波形。

适用于较高扫速。

按下“断续”时断续显示y1和y2，适用于扫描速度较慢的双踪显示。

11、垂直衰减器：

改变示波器Y1通道信号的放大或衰减的倍数。

12、微调：

示波器Y1通道信号的放大或衰减微调。

13、垂直衰减器：

改变示波器Y2通道信号的放大或衰减的倍数。

14、微调：

示波器Y2通道信号的放大或衰减微调。

15、水平位移：

调节光迹在屏幕上的水平位置。

16、扫描速率（SEC/DIV）：

用于调节扫描速率。

可以分档式来改变扫描时间，使得到稳定的大小合适的波形。

17、微调：

用于连续微调扫描速率。

18、触发方式（TRIGMODE）：

常态：

无信号时，屏幕上无显示，有信号时，与电平控制配合显示稳定波形。

自动：

无信号时，屏幕上显示光迹，有信号时，与电平控制配合显示稳定波形。

电视：

用于显示电视场信号。

峰值自动：

无信号时，屏幕上显示光迹，有信号时，无须调节电平即能获得稳定波形显示。

一般情况下都用此钮。

19、内触发电源：

用于选择Y1、Y2或交替触发。

20、电平：

用于调节被测信号在某一电平触发扫描。

21、触发极性：

用于选择信号的上升或下降沿触发扫描。

22、触发电源：

用于选择触发电源为内或外。

23、触发指示：

在触发扫描时，指示灯亮。

24、Y1或X：

被测信号的输入插孔。

25、Y2或Y：

被测信号的输入插孔。

26、偶合方式：

（AC-DC-GND）：

用于选择被测信号输入垂直通道的偶合方式。

27、偶合方式：

（AC-DC-GND）：

用于选择被测信号输入垂直通道的偶合方式。

28、荧光屏。

面板上有些部分我们未作介绍。

在做实验时，实验室工作人员已经预先调到所需的位置。

请同学们注意，没有介绍过的钮请不要动，以免损坏示波器，影响实验的正常进行。

2．数字示波器

本实验用到的是UT2000/3000数字示波器。

UT2000/3000示波器为双通道CH1和CH2通道对两路输入信号都要进行模拟/数字转换，实现数字化处理并通过专用集成电路实现处理显示被观测波形参数的功能。

（1）示波器的功能简介

双模拟通道、高清晰彩色/单色液晶显示系统，320×240分辨率、支持即插即用USB存储设备，并可通过USB存储设备与计算机通信、自动波形、状态设置（AUTO）、波形、设置和位图存储以及波形和设置再现、精细的视窗扩展功能，精确分析波形细节与概貌、自动测量19种波形参数、独特的波形录制和回放功能、内嵌FFT（快速傅立叶变换）、多重波形数学运算功能（包括：

加，减，乘，除）。

（2）前面板的操作及功能

如图4-4-10所示，面板上包括旋钮和功能按键，旋钮的功能与其它示波器类似。

显示屏右侧的一列5个按键为菜单操作键（自上而下定义为F1键至F5键）。

通过它们，可以设置当前菜单的不同选项；其它按键为功能键，通过它们，可以进入不同的功能菜单或直接获得特定的功能应用。

图4-4-10示波器前面板

1）垂直系统

如图4-4-11所示，在垂直控制区有一系列的按键、旋钮。

a）垂直位置旋钮控制信号的垂直显示位置。

b）改变垂直设置，并观察状态信息变化。

通过波形窗口下方的状态栏显示的信息，确定任何垂直档位的变化。

旋动垂直标度旋钮改变“伏/格”垂直档位，可以发现状态栏对应通道的档位显示发生了相应的变化。

按“CH1”、“CH2”、“数学”、“参考”,屏幕显示对应通道的操作菜单、标志、波形和档位状态信息。

按“关闭”按键关闭当前选择的通道。

2）水平系统

如图4-4-12所示，在水平控制区有一个按键、两个旋钮。

a）使用“水平标度”旋钮改变水平时基档位设置，并观察状态信息变化。

转动水平标度旋钮改变“秒/格”时基档位，可以发现状态栏对应通道的时基档位显示发生了相应的变化。

水平扫描速率从5ns～50s，以1－2－5方式步进。

b）使用“水平位置”旋钮调整信号在波形窗口的水平位置。

水平位置旋钮控制信号的触发移位。

当应用于触发移位时，转动水平位置旋钮时，可以观察到波形随旋钮而水平移动。

c）按“MENU（菜单）”按钮，显示Zoom菜单。

在此菜单下，按F3可以开启视窗扩展，再按F1可以关闭视窗扩展而回到主时基。

在这个菜单下，还可以设置触发释抑时间。

图4-4-11垂直控制区图4-4-12水平控制区图4-4-13触发菜单

双模拟通道垂直、水平位置恢复到零点快捷键“置零”：

可通过快捷键“置零”使将垂直移位、水平移位、触发释抑的位置回到零点（中点）。

3）触发系统

如图4-4-13所示，在触发菜单控制区有一个旋钮、三个按键。

a）使用“触发电平”旋钮改变触发电平，可以在屏幕上看到触发标志来指示触发电平线，随旋钮转动而上下移动。

在移动触发电平的同时，可以观察到在屏幕下部的触发电平的数值相应变化。

b）使用“触发菜单”，以改变触发设置。

按F1键，选择“边沿”触发；按F2键，选择“触发源”为CH1；按F3键，设置“边沿类型”为上升；按F4键，设置“触发方式”为自动；按F5键，设置“触发耦合”为直流。

c）按“50%”按钮，设定触发电平在触发信号幅值的垂直中点。

d）按“强制触发”按钮：

强制产生一触发信号，主要应用于触发方式中的正常和单次模式。

触发电平恢复到零点快捷键：

可以通过按下50%按钮即可快速使触发电平设置到零点（通道垂直参考点），在触发零点可以获得最高的触发灵敏度。

触发零点也可以通过旋动触发电平旋钮来实现。

4）显示系统

在功能区域“显示”为显示系统的功能按键。

使用“显示”按钮弹出下表所示设置菜单。

通过菜单控制按钮调整显示方式。

其中，Y-T方式：

此方式下Y轴表示电压量，X轴表示时间量；X-Y方式：

此方式下X轴表示CH1电压量，Y轴表示CH2电压量，此方式只适用于CH1和CH2。

波形显示的自动设置：

UT2000/3000系列数字存储示波器具有自动设置的功能。

根据输入的信号，可自动调整垂直偏转系数、扫描时基、以及触发方式直至最合适的波形显示。

应用自动设置要求被测信号的频率大于或等于50Hz，占空比大于1﹪。

（3）自动设置

1）将被测信号连接到信号输入通道。

2）按下功能区域的“自动”按钮。

示波器将自动设置垂直偏转系数、扫描时基、以及触发方式。

如果需要进一步仔细观察，在自动设置完成后可再进行手工调整，直至使波形显示达到需要的最佳效果。

（有关仪器的更多的设置方法可参见仪器说明书）

（4）电子示波器的使用

示波器能够正确地显示各种波形的特性，因而可用来监视各种信号及跟踪其变化规律。

利用示波器还可以将待测的波形与已知的波形进行比较，粗略地测量波形的幅度、频率和相位等各种参量。

随着计算机的发展，示波器的结构发生了很大变化，主要有：

显示波形的示波管改为数字点阵的液晶显示屏，因而线性度好，并且可显示有关参数字符；测试的波形成为数据存在机内存储器中，需要显示时，可对采集的数据进行平均，求峰值等项处理后再显示出来；示波器调节更方便，测到的数据可与上位机联结，进行数据传送作进一步处理。

因此示波器的变化会使实验室的测量精确度显著提高。

此类示波器的价格当前较高。

1）观察波形

示波器的种类很多，性能上差异也较大，以下的讨论均以通用示波器为准进行，在操作上和实验室提供的仪器可能不同，但基本思想是相同的。

2）电压测量

用示波器不仅能测量直流电压，还能测量交流电压和非正弦波的电压。

它采用比较测量的方法，即用已知电压幅度波形将示波器的垂直方向分度，然后将信号电压输入，进行比较。

3）测量频率或周期

用示波器测量频率或周期必须知道

轴的扫描速率，即

方向每分度相当于多少秒或者微秒。

假定如图4-4-14图所示的

扫描速率为10ms/div，则正弦波的周期为4.0div×10ms/div=40ms，因此频率ƒ=1/40ms=25Hz就可以计算出来。

当显示波形的个数较多时，周期可根据测量几个周期的时间除以n来计算，以保证周期有较高的精度。

图4-4-14频率或周期的测量示意图

因为稳定的标准频率容易得到，示波器判别合成的波形（李萨如图形）非常直观、灵敏和准确，所以测频率时都要用到它，在复杂信号的频谱分析中也要用到它。

李萨如图与两信号的频率比有如下简单的关系

nx，ny分另为李萨如图的外切水平线的切点数和外切垂直线的切点数，如图4-4-15所示

图4-4-15李萨如图

因此，如fx、fy中有一个已知且观察它们形成的李萨如图，得到外切水平线和外切垂直线的切点数之比，即可测出另一个信号的频率。

注意：

由于两种信号的频率不会非常稳定和严格相等。

因此得到的李萨如图形不很稳定，经常会出现上下左右来回地或定向地滚动现象。

如果是比较稳定的翻转，则测出翻转一次的时间为

，可知ƒx与ƒy之差为1/

（Hz）。

4）测量两个正弦信号的位相差

利用示波器可以测量两个同频率信号之间的相位差。

更详细的内容可查阅相关的资料。