实验五夫兰克-赫兹实验中弱电流的测量 集成运算放大器的应用 914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49cV,并拍摄到与能量49eV相对应的波长为253.7nm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 49eV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,学习和体验夫兰克和赫兹研究气 体放电现象中低能电子和原子之间相互作用的实验思想和实验方法.同时学习用集成运算 放大器测量弱电流 【实验目的】 1.了解原子能量量子化,测定汞或氩原子的第一激发电势; 2.了解集成运算放大器的基本单元电路原理; 3.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 实验原理】 1.弗兰克-赫兹实验 根据量子理论,原子只能处在一系列不连续的能量状态,称为定态.相应的定态能量 称为能级.原子的能量要发生变化,必须在两个定态之间以跃迁的方式进行.当基态原子 与带一定能量的电子发生碰撞时,可以使原子从基态跃迁到高能态 ev =E-E 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 弗兰克-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axk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Vp形成的电场 时,就能穿过栅极G2到达板极形成电流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e,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,l将随着vG2k的增大而增大.但当电子能量达到e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eV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l的第一次下降.若使Vx继续增大,电实验五 夫兰克-赫兹实验中弱电流的测量 ——集成运算放大器的应用 1914 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，学习和体验夫兰克和赫兹研究气 体放电现象中低能电子和原子之间相互作用的实验思想和实验方法．同时学习用集成运算 放大器测量弱电流． 【实验目的】 1．了解原子能量量子化，测定汞或氩原子的第一激发电势； 2．了解集成运算放大器的基本单元电路原理； 3．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； 【实验原理】 1．弗兰克-赫兹实验 根据量子理论，原子只能处在一系列不连续的能量状态，称为定态．相应的定态能量 称为能级．原子的能量要发生变化，必须在两个定态之间以跃迁的方式进行．当基态原子 与带一定能量的电子发生碰撞时，可以使原子从基态跃迁到高能态 −= EEeV 011 （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． 弗兰克-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，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 - 31 -