弗兰克赫兹实验曲线的物理分析.pdfVIP

2 2 2 第 9 卷 　第 2 期 太 原 师 范 学 院 学 报 (自然科学版) Vol. 9 No. 2 　 　 2010 年 6 月 　 J OURNAL OF TAIYUAN NORMAL UNIV ERSIT Y (Natural Science Edition) 　 J un. 2010 3 弗兰克赫兹实验曲线的物理分析 姚 　斌 (太原师范学院 物理系 ,山西 太原 030031) 　　〔摘要〕　对极板电流与加速电压关系曲线的峰点连线和谷底高度所代表的物理意义进行分 析. 研究发现 ,峰点连线的斜率反映的是弗兰克赫兹管的临界电导 ,而谷底高度反映的是热电子与 2 2 气体原子不发生碰撞损失能量的概率 ———由此形成谷底电流. 结果表明临界电导越大 ,谷底电流越 2 小 ,测量精度越高 ,实验效果越显著. 〔关键词〕　弗兰克赫兹实验 ;临界电导 ;谷底电流 〔文章编号〕　1672 2027 (2010) 02 0087 03 　〔中图分类号〕　O562. 3 　〔文献标识码〕　A 3 0 　引言 历史上 ,弗兰克与赫兹采用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法 ,使气体原子从低能态激发到较高能态 , 测得电子与气体原子碰撞时会交换某一定值的能量 ,进一步确认气体原子发生能态变化时吸收或发射的能 量是完全确定的、不连续的 ,从而直接证明了原子内部量子化能级的存在 ,为量子理论的确立提供了强有力 的支持[1 ] . 在具体的方法上 ,弗兰克赫兹实验是通过研究极板电流与加速电压间的关系来进行的. 在极板电 流与加速电压的关系曲线中 ,曲线的峰间距就是气体原子的第一激发电位 ,通过测量及确定气体原子的第一 激发电位证明原子内部量子化能级的存在[2 ] . 在弗兰克赫兹实验中 ,极板电流与加速电压的关系曲线所反映 的物理信息很多[3～6 ] . 本文就实验曲线的峰点连线以及谷底高度进行分析 ,并研究其物理意义. 1 　极板电流与加速电压关系曲线的物理分析 首先 ,分析理想状态下极板电流与加速电压的关系曲线. 所谓理想状态 ,即认为阴极发射的热电子运动 状态是一致的 ,而且在被加速运动的过程中 ,最终能够全部与气体原子发生碰撞 ,并损失能量. 图 1 和图 2 分 别为理想状态下无拒斥电压与有拒斥电压时极板电流与加速电压的关系曲线. 它们均为锯齿波 ,任意两个相 邻波峰在横坐标上的位置间隔即为气体原子的第一激发电位. 图 2 中任意两个相邻的锯齿波间的间隔则为 拒斥电压 ,且在这一间隔内极板电流为 0. 上述两点是理想化的假设 ,在实际问题中 ,阴极发射的电子 ,其速 率是服从麦克斯韦分布率的 ,而且在运动过程中也不会全部与气体原子发生碰撞而损失能量. 图 1 　无拒斥电压曲线 图 2 　有柜斥电压曲线 Fig. 1