馮 娟，張 賀，趙 飛

(中國地質大學(北京) 物理實驗教學示范中心, 北京 100083)

1 實驗原理

1914年，物理學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；并驗證了原子發(fā)生躍遷時吸收或發(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立的實驗證據. 實驗中所用的夫蘭克-赫茲儀用于測定氬原子的第一激發(fā)電位，實驗原理[1-2]如圖1所示.

圖1 夫蘭克-赫茲實驗原理圖

F-H管為四極管(其中充以氬氣)，包括陰極(K，燈絲部分)、2個柵極G1和G2，和1個板極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，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

本實驗采用FD-FH-1夫蘭克-赫茲實驗儀，如圖2所示.

圖2 夫蘭克-赫茲實驗儀

1)直接在夫蘭克-赫茲儀上尋找極值點

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

2)描點畫圖尋找極值點

調節(jié)VG2至最小，然后逐漸增大其值，每隔1 V測量1組數據，列表記錄對應的(VG2，IP)數值，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，以及相應的UG2值，即IP-VG2關系曲線中波峰或波谷的位置，由圖求出第一激發(fā)電位[4].

在教學實踐中，發(fā)現(xiàn)電流IP的讀數不穩(wěn)定，會出現(xiàn)一直上升或下降的現(xiàn)象，經過一段時間之后，電流變化趨于緩慢. 廠家的解釋是：電子管受熱后，發(fā)射的電子數目不穩(wěn)定，所以會出現(xiàn)電流讀數跳動的現(xiàn)象. 但這給學生測量帶來了困擾，不知該何時讀數. 學生測量存在困難，而使結果不準確.

3 改進后的測量方法

利用示波器光標“cursor”功能測量波峰或波谷所對應的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的VG2值

該方法減小了讀數時的誤差，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]. 有助于學生尋找最佳的工作參量，正確地設定參數值，得出精確地測量結果. 分析不同變量對實驗結果的影響，有助于學生理解各個實驗參量的物理意義，更加深刻理解實驗內容. 此外，溫度的變化也會對信號強度有一定影響[6]，在實驗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，確定溫度與信號強度之間的關系.

4 結束語

傳統(tǒng)的夫蘭克-赫茲實驗直接在儀器上尋找極值點或描點畫圖尋找極值點，實驗內容比較單一，較為枯燥，學生容易產生厭煩情緒；并且電流讀數不穩(wěn)定，學生測量存在困惑. 本文對原有實驗進行改進，利用示波器上顯示的IP-VG2波形圖，使用光標“cursor”功能測量波峰或波谷所對應的VG2值，在示波器上直接讀出波峰或波谷的電位. 該方法減少了讀數時個人因素的影響，提高了測量精度；豐富了實驗內容，提高了學生的興趣；并且鍛煉了學生對示波器的使用，收到較好的教學效果.

參考文獻：

[1] 周惟公. 大學物理實驗[M]. 北京:高等教育出版社,2009.

[2] 鄒瑩，姚志，姜東光，等. 弗蘭克-赫茲實驗的計算機模擬[J]. 物理實驗，2014，34(3):17-22.

[3] 王蘊杰. 基于BP神經網絡的弗蘭克-赫茲實驗曲線擬合[J]. 大學物理實驗，2013，26(6):95-96.

[4] 張衛(wèi)山,楊善恒,魯應滌,等. 基于Origin 的弗蘭克-赫茲實驗數據分析[J]. 赤峰學院學報(自然科學版), 2012，28(9):6-7.

[5] 張里荃，馬艷梅，郝二娟. 弗蘭克-赫茲實驗最佳實驗條件及第一激發(fā)電位的研究[J]. 物理實驗，2011，31(9):37-38.

[6] 唐爽，白翠琴，馬世紅. 弗蘭克-赫茲實驗中電流信號強度隨溫度變化的現(xiàn)象[J]. 大學物理，2012，31(9):50-52.