夫兰克-赫兹实验中弱电流的测量.docVIP

夫兰克-赫兹实验中弱电流的测量 ——集成运算放大器的应用 【实验简介】 20世纪初，在原子光谱的研究中确立了原子能级的存在。原子光谱中的每根谱线就是原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射形成的。原子能级的存在，除了可由光谱研究证实外，还可以利用慢电子轰击稀薄气体原子的方法来证明。 1914年，即玻尔理论发表后的第二年，夫兰克（F. Franck）和赫兹（G. Hertz）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：透过汞蒸汽的电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，间隔为4.9 eV，并拍摄到与能量4.9 eV相对应的波长为253.7 nm的光谱线． 该实验证实了原子内部能量是量子化的，为玻尔于1913年发表的原子理论提供了新的实验事实． 1920年夫兰克及其合作者对原先实验装置作了改进，提高了分辨率，测得了汞的除4.9eV以外的较高激发能级和电离能级，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诺贝尔物理学奖． 通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，学习夫兰克和赫兹为揭示原子内部量子化能级所作的巧妙构想以及采用的实验思想和实验方法，了解气体放电现象中低能电子与原子间相互作用的机理，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，并可用于研究原子内部的能量状态与能量交换的微观过程。 同时，学习用集成运算放大器测量弱电流的方法． 【人物简介】 James Franck Gustav Ludwig Hertz (1882-1964) German (1887-1975) German 【实验目的】 了解原子能量量子化，测定汞或氩原子（本实验中测定“氩原子”）的第一激发电势； 了解集成运算放大器的基本单元电路原理； 利用运算放大器的放大作用，组成测量电路进行弱电流测量； 【】 （1） 式（1）中，E1为第一激发态能量（第一激发态是距基态最近的一个能态），E0为基态能量，eV1为该原子第一激发能． 夫兰克-赫兹实验的原理可由图1来说明，各电位分布如图2所示．电子由阴极发出经由电压VG2K形成的电场加速而趋向板极P，只要电子能量足以克服减速电压VG2P形成的电场时，就能穿过栅极G2到达板极形成电流Ip．由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原子发生碰撞．如果电子能量小于第一激发能eV1，它们之间的碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒原理不难推得，电子损失的能量极小，电子能如期的到达板极，形成电流Ip将随着VG2K的增大而增大．但当电子能量达到eV1时，电子与原子将在G2附近发生第一次非弹性碰撞，电子把能量eV1传给气体原子．碰撞后电子失去动能，损失了能量的电子将无法克服减速场到达板极，造成了电流Ip的第一次下降．若使VG2K继续增大，电子在经历了第一次非弹性碰撞后，仍有剩余动能到达板极，电流又会上升，直到VG2K达到两倍的eV1时，使电子与原子发生两次非弹性碰撞，电流又再度下跌，余可类推．如此反复将出现图3的曲线． VF：灯丝加热电压 VG1K：正向小电压 VG2K：加速电压 VG2P：减速电压 F：灯丝 K：阴极 G1：栅极（控制栅极） G2：栅极（加速栅极） P：板极 图1 夫兰克-赫兹实验原理图 曲线极大极小的出现呈明显的规律性，它是原子能级量子化的体现．就图3的规律来说，每相邻极大或极小值之间之差即为第一激发能． 图2 电位分布 图3 夫兰克-赫兹实验曲线 进行F-H实验通常使用的碰撞管是充汞的．这是因为汞是原子分子，能级较为简单，常温下是液态，饱和蒸汽压很低，加热就可改变它的饱和蒸汽压．汞的原子量较大，和电子作弹性碰撞时几乎不损失动能．汞的第一激发能级较低，为4.9 eV，因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值．当然除充汞蒸汽以外，还常充以惰性气体如氖、氩等的．用这些碰撞管作实验时，温度对气压影响不大，在常温下就可以进行实验． 集成运算放大器简介 集成运算放大器是一种能够检测和放大直流与交流信号的固体器件．它具有输入阻抗高，开环增益高以及输出阻抗小等特点．目前广泛应用于计算机、自动控制、无线电技术和各种非电量的电测线路中． 运算放大器内部电路通常都是很复杂的，但是不管其内部电路如何复杂，它与外界的连接是简单的．大多数集成运算放大器都是双输入、单输出的高增益直流放大器．除了两个信号输入端和一个输出端外，还有两个正负电源引入端和调零端，有时还有相位补偿以及一些特殊引出端．讨论由运放构成的电路时，运放的内部电路一般无关紧要，通常用一个电路图形符号来表示运放（如图4所示）．在运放图形符号