弗兰克-赫兹实验集电极电流微分测量分析.pdf
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1、第 卷第期 年月 物理实验 ,櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 收稿日期:;修改日期:基金项目:国家自然科学基金项目();中山大学 年度教学质量与教学改革工程项目(教务 号)作者简介:李潮锐(),男,广东汕头人,中山大学物理学院副教授,博士,主要从事大学物理实验教学和凝聚态电磁特性研究工作 :文章编号:()弗兰克赫兹实验集电极电流微分测量分析李潮锐(中山大学 物理学院,广东 广州,)摘要:弗兰克赫兹实验物理内容丰富,其实验现象由事实展现并得到广泛关注,但缺乏从机制层面对实验现象进行分析采用集电极电流微分测量方法,由微分电流的能量(
2、电位)分布及其随加速电压的变化规律,解释了常规方法所观测到的普遍实验现象通过观测能量分布峰形变化,分析了实验过程中单峰和双峰交替出现的物理本质,深入探讨常规方法的实验结果与能量分布规律的内在关联集电极电流微分测量方法有助于深刻理解实验原理,其结果阐明了激发电位递增的物理本质关键词:弗兰克赫兹实验;激发电位;微分测量;能量分布中图分类号:文献标识码:弗兰克赫兹(,)实验利用热电子在外电场加速过程中与原子交换能量,通过测量集电极电流变化推断原子激发电位常规方法可观测到的实验现象普遍包括:)随集电极电位犞增大,集电极电流犐的起始第二栅极电压犞 升高;)随犞增大,犐 犞 曲线整体下移;)随犞增大,犐
3、犞 曲线中的犐谷电位或峰电位向犞 高电压端移动;)即使犞高于原子激发电位,仍可清晰地观测到犐 犞 的变化规律;)在犞恒定的条件下,犐 犞 曲线随犞 增大呈现类周期振荡上扬;)原子激发电位随犞 升高而逐渐增大(激发电位递增)文献 指出:不管在发生能量交换之前还是之后,管中热电子电流都具有能量分布规律常规实验方法中,犐来自所有能量高于犞的热电子的贡献,或者说,犐是对所有可到达集电极热电子(流)的累加(积分)测量结果本文采用集电极电流微分测量方法,通过集电极微分电流犻(犞)的能量(电位)分布讨论分析 实验的普遍现象根据犻(犞)能量分布峰形特点及变化规律,从犐微分测量角度理解实验测得的原子激发电位递增
4、现象的物理本质实验技术方法实验主体装置是复旦天欣弗兰克赫兹实验仪(型),包括灯丝电源、第一栅极电源、第二栅极电源、集电极电源和集电极电流放大测量等功能模块常规接法是以集电极为接地端,这有利于集电极电流放大测量电路设计,实验所用的运算放大器由 和 双电源供电关于常规方法的 实验参量优化及其结果评估参见文献使用实验仪内部灯丝电源犞 ,以使实验中最大集电极电流犐 不超量程;不施加第一栅极电位,即犞 改用艾德克斯()直流电源和普源()直流电源分别提供第二栅极电压犞 和集电极电位犞,外部电源也将犞 和犞分别扩大至 和(甚至更高)范围;二者均采用约 的步进实施测量用吉时利()多用表测量集电极电流犐(实际测
5、量的是由运算放大器输出电压来表征犐),台普源()多用表则分别用于测量犞 和犞泰克()信号源为集电极提供频率为 且其峰峰值为 的交流调制电压,并与集电极直流电源输出(串联)叠加,由中大科仪 数字锁相放大器测量犐交流分量(实际测量的是运算放大器输出电压交流分量);以 信号源 同步输出为 锁相放大器外参考信号通过 ,和 接口对实验系统实施计算机测控操作和数据采集分析实验过程可能会遇到个问题:)在犞接近或高于原子激发电位,即犐较微弱时,犐出现负值特别是灯丝电流较小情况,犐负值更为明显)改变犞对犞 存在的弱影响图所示为实验测量电路等效示意图无论是从阴极发射出来随之进入加速区,还是从加速区经过第二栅极进入
6、减速区,热电子都具有初速度(初动能或初能量),这等效于有电源驱动因此,在加速区和减速区的回路中,除了电路中的实体电源外,还应该考虑附加等效电源的作用图 实验等效电路示意图图中,犈 和犈分别为第二栅极和集电极可调等效电源,犞 和犞则分别为第二栅极和集电极所施加的(可测)电位,犚 和犚分别表示 管加速区和减速区的等效电阻,犚为第二栅极等效电阻,犐和犐分别为加速区和减速区回路电流根据基尔霍夫电压定律可得犈 犞 犞犚,()犈犞犞犚,()其中,犞 犚 犐,()犞犚犐,()犞犚(犐犐)犚()由式()、式()和式()可得犐犐犚犈犚犚,()由式()和式()可知,当犈增大时,犐减小,犞犚增大可以认为,此时绝大多
7、数热电子已穿过第二栅极进入减速区,或者栅极等效电阻比犚 和犚都小得多因此,随犈增大,将可能出现犐为负值的情况由式()()可知,在任一设定犈 的情形下,当犈增大时,犐减小,犞犚随之变化,从而使犞 发生改变实验事实也表明:犞 随犈发生微弱变化因此,在测量犻(犞)犞的能量(电压)分布过程中,每次改变犈都需要对犈 输出进行及时修正,以确保犞 恒定上述分析表明:犐负值和犞与犞 相关联首先,确认(调节)犐测量电路的静态工作零点为解决集电极电流微分测量中犞变化对犞 的弱影响,每当改变犞时,同步调节 直流电源输出以使犞 恒压在犞 时,恒压精度优于 ,而 高 电 位 端 恒 压 精 度 则 优 于,由此保证实验
8、测量的准确性实验结果与分析 常规方法的实验结果图所示为犐 犞 的实验结果由图可见,犐随犞 的增加呈现类周期振荡上扬不同犞下的犐 犞 曲线清晰地显示了上述种普遍实验现象表记录了不同犞情形下犐峰处的犞,可以看出:犐峰处对应的犞 随犞的变化而变化,经计算还可以发现由两相邻峰的犞 差值所得的原子激发电位也随着犞 的增加而逐渐增大(激发电位递增)图不同犞情形下犐 犞 实验结果第期李潮锐:弗兰克赫兹实验集电极电流微分测量分析表不同犞犘情形犐犘峰处的犞犌 犞犞 犃犅犆犇犈犉犌 集电极电流犐犘微分测量原理关于 实验的普遍现象,已有文献进行了广泛观测和描述 在确定的犞 条件下,栅极热电子将具有不同能量,且呈现粒
9、子数的能量分布规律若忽略由第二栅极到集电极之间原子对热电子运动的影响,那么图中的犐表示处于第二栅极所有电位犞高于犞的热电子的集体贡献在确定的犞 和犞条件下,假设电位为犞的热电子对集电极电流的贡献为犻(犞),那么犐可表示为(等效于并联电路)犐犞犞犻(犞),()将式()改写成离散化积分形式犐犞犞犻(犞)犞犞犞犞犐()犞犞()如果不考虑减速区中原子的影响,那么到达集电极的热电子与处于第二栅极的热电子的能量分布规律相同因而,在确定的犞处,施加微小调制犞,测量对应的犐变化量犐,即实施犞犞时的犐微分测量,且由此得到具有电位犞的热电子的贡献犻(犞)一系列不同的犞所构成的犻(犞)犞关系可以表示到达第二栅极时热
10、电子电流的电位分布规律犻(犞)犞当犞时,增大犞 直至可以观测到犐和犻(犞),以此为实验起点具体步骤为:)同步采集犞,犐,犞和犻(犞);)步进增大犞,并重复步骤),直至犞达到最大值,完成在犞 不变条件下犻(犞)犞的测量;)将犞调回最小值,并重复步骤);)适量增大犞,按步骤)重复完成实验测量,可得到一系列不同犞 条件下的犻(犞)犞结果图显示了犞 ,犐与犻(犞)随犞的变化关系在任一确定的犞处,常规方法的集电极电流犐(蓝色线上的数据点)为犞犞条件下所有犻(犞)(红色线自犞起在高能端的所有犻数据点)的累加结果,由式()表示;或者说,是由犻(犞)犞能量分布(红色线)在犞犞范围内与犻(犞)基线所围面积,由式
11、()描述注意:犐与犻(犞)累加或积分结果可能相差(积分)常量图犐与犻(犞)随犞的变化由图可知,对于任一确定的犞,犐为电位犞犞情形下所有(可能)犻(犞)的累加(积分)若对每个确定(恒定)的犞 逐一完成所有犞犞情形下犻(犞)的累加也可得到图中犐 犞 的结果或者,在犞犞情形下,逐一测量每个确定犞的犻(犞)犞 数据,进而将所有数据在不变的物理实验第 卷情形下叠加,也可得到图中犞条件下犐 犞 的结果综上所述,在犞 确定的情况下,犐来自犞犞情形下所有(可能)犻(犞)的集体贡献,而每个犻(犞)在犐中具有不同占比图显示了不同犞情况下犻(犞)犞 的实验结果曲线均呈现出与犐 犞 相似的类周期振荡趋势,还直观地显示
12、了不同犞下犻(犞)犞 在犐 犞 中的占比差异,同时不同犞之间的相对占比也随犞 发生变化由此可知,当犞确定时,犻(犞)犞 在犐 犞 中的占比随犞 的变化而变化值得一提的是,即使在犞 的情形下,依然可以清晰地观测到犻(犞)随犞 的类周期振荡趋势图不同犞情形下犻(犞)随犞 的变化情况 集电极微分电流犻犘电位分布从阴极发射出来的热电子,在逸出阴极表面时遵从狄拉克费米分布,这也正是真空管情形测量金属电极电子逸出功(函数)的物理依据 管不是真空管,管里充有原子气体热电子自阴极发射出来后,在犞 的加速作用下,伴随着向集电极方向热运动的同时,还与管中原子不断发生碰撞(甚至发生原子激发交换能量)此过程中,在确定
13、的犞 作用下,管中热电子都必将达到具有能量分布的动态平衡图显示了不同犞 情形下,微分电流犻(犞)随犞的分布情况事实上,在犞 略小于 时已有少量热电子到达第二栅极,且当犞时可观测到微弱的犐和犻(犞)逐步增大犞,当犞 ,犻(犞)能量峰形分布逐渐清晰同时,随着犞 的增大,热电子可获得更多(平均)能量,从而使犻(犞)峰位向犞高能端移动,且犻(犞)峰宽同步增大假设单位时间从阴极发射出来的热电子数量基本稳定,那么相应的能量峰高必将下降,能量分布整体向下压缩图所示实验结果与上述热电子能量峰形分布随犞 变化的分析结果一致可以得出:犻(犞)呈现的峰形能量分布并非犞的函数,这增加了准确分析犐 犞 物理过程的难度文
14、献 也通过实验观测了抵达集电极热电子的能量分布规律图不同犞 情形下犻(犞)随犞的分布 集电极电流随集电极电位的变化分析犞也被称为阈值电位(能量),对于任意犞,只有犞犞时,热电子才可被测量图中,当犞 时,无法观测到犐起始信号随着犞的增大或减小,犐起始信号对应的犞 也相应地上升或下降图实验结果解释了普遍现象):随犞增大,犐的起始第二栅极电压犞 升高对任一恒定的犞,在犞处的犐均为犞犞情形下犻(犞)的积分结果当犞增大时,不同犞 情形下对犻(犞)的积分随之减小,即对应的犐下降或者说,当犞增大,可到达集电极热电子的数量减少,犐下降图所示的犻(犞)犞能量分布结果展示了不同犞 下,犐随犞的变化情况,直观地解释
15、了普遍现象):随犞增大,犐犞 曲线整体下移图不同犞 情形下犻(犞)犞的能量分布第期李潮锐:弗兰克赫兹实验集电极电流微分测量分析 集电极电流犐峰(谷)随犞的变化分析以图中犞 ,分析犐 犞 曲线犆峰所处范围犻(犞)犞能量分布变化过程为例图显 示 了 当犞 ,时,犻(犞)犞的实验结果,结果表明:在此范围内,犻(犞)犞分布随犞 增大向犞高电位端移动且峰高逐渐上升由此可见,由犞 直线与犻(犞)犞曲线在高电位端所围面积(即犐)随犞 的增大而增大,从而解释了图中当犞 ,时,犐随犞 逐 渐 上 升 的现象图犐上升侧犻(犞)犞分布随犞 的变化情况图显示了当犞 ,时,犻(犞)犞的实验结果在此范围内,随犞 增大,犻
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