夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中弱電流的測量new

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1、實(shí)驗(yàn)五夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中弱電流的測量——集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用1914年夫蘭克（F.Franck）和赫茲（G.Hertz）在研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子與原子間相互作用時(shí)，在充汞的放電管中發(fā)現(xiàn)：透過汞蒸汽的電子流隨電子的能量呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化，間隔為4.9eV，并拍攝到與能量4.9eV相對應(yīng)的波長為253.7nm的光譜線．該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子內(nèi)部能量是量子化的，為玻爾于1913年發(fā)表的原子理論提供了新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)．1920年夫蘭克及其合作者對原先實(shí)驗(yàn)裝置作了改進(jìn)，提高了分辨率，測得了汞的除4.9eV以外的較高激發(fā)能級和電離能級，進(jìn)一步證實(shí)了原子內(nèi)部能量是量子化的．1925年夫

2、蘭克和赫茲共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．通過這一實(shí)驗(yàn)可以了解原子內(nèi)部能量量子化的情況，學(xué)習(xí)和體驗(yàn)夫蘭克和赫茲研究氣體放電現(xiàn)象中低能電子和原子之間相互作用的實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法．同時(shí)學(xué)習(xí)用集成運(yùn)算放大器測量弱電流．【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．了解原子能量量子化，測定汞或氬原子的第一激發(fā)電勢；2．了解集成運(yùn)算放大器的基本單元電路原理；3．利用運(yùn)算放大器的放大作用，組成測量電路進(jìn)行弱電流測量；【實(shí)驗(yàn)原理】1．弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)根據(jù)量子理論，原子只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，稱為定態(tài)．相應(yīng)的定態(tài)能量稱為能級．原子的能量要發(fā)生變化，必須在兩個(gè)定態(tài)之間以躍遷的方式進(jìn)行．當(dāng)基態(tài)原子與帶一定能量的電子發(fā)生

3、碰撞時(shí)，可以使原子從基態(tài)躍遷到高能態(tài)eV=E?E（1）110式（1）中，E1為第一激發(fā)態(tài)能量（第一激發(fā)態(tài)是距基態(tài)最近的一個(gè)能態(tài)），E0為基態(tài)能量，eV1為該原子第一激發(fā)能．弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的原理可由圖1來說明，各電位分布如圖2所示．電子由陰極發(fā)出經(jīng)由電壓VG2K形成的電場加速而趨向板極P，只要電子能量足以克服減速電壓VG2P形成的電場時(shí)，就能穿過柵極G2到達(dá)板極形成電流Ip．由于管中充有氣體原子，電子前進(jìn)的途中要與原子發(fā)生碰撞．如果電子能量小于第一激發(fā)能eV1，它們之間的碰撞是彈性的，根據(jù)彈性碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量和動(dòng)能守恒原理不難推得，電子損失的能量極小，電子能如期的到達(dá)板

4、極，形成電流Ip，Ip將隨著VG2K的增大而增大．但當(dāng)電子能量達(dá)到eV1時(shí)，電子與原子將在G2附近發(fā)生第一次非彈性碰撞，電子把能量eV1傳給氣體原子．碰撞后電子失去動(dòng)能，損失了能量的電子將無法克服減速場到達(dá)板極，造成了電流Ip的第一次下降．若使VG2K繼續(xù)增大，電-31-VF：燈絲加熱電壓VG1K：正向小電壓VG2K：加速電壓VG2P：減速電壓F：燈絲K：陰極G1：柵極（控制柵極）G2：柵極（加速柵極）P：板極圖1弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)原理圖IPV1V1V1V1V1VGK2圖2電位分布圖3弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)曲線子在經(jīng)歷了第一次非彈性碰撞后，仍有剩余動(dòng)能到達(dá)板極，電流又會(huì)上升，直

5、到VG2K達(dá)到兩倍的eV1時(shí)，使電子與原子發(fā)生兩次非彈性碰撞，電流又再度下跌，余可類推．如此反復(fù)將出現(xiàn)圖3的曲線．曲線極大極小的出現(xiàn)呈明顯的規(guī)律性，它是原子能級量子化的體現(xiàn)．就圖3的規(guī)律來說，每相鄰極大或極小值之差即為第一激發(fā)能．進(jìn)行F-H實(shí)驗(yàn)通常使用的碰撞管是充汞的．這是因?yàn)楣窃臃肿?，能級較為簡單，常溫下是液態(tài)，飽和蒸汽壓很低，加熱就可改變它的飽和蒸汽壓．汞的原子量較大，和電子作彈性碰撞時(shí)幾乎不損失動(dòng)能．汞的第一激發(fā)能級較低，為4.9eV，因此只需幾十伏電壓就能觀察到多個(gè)峰值．當(dāng)然除充汞蒸汽以外，還常充以惰性氣體如氖、氬等的．用這些-32-碰撞管作實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫度對氣

6、壓影響不大，在常溫下就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．2．集成運(yùn)算放大器簡介集成運(yùn)算放大器是一種能夠檢測和放大直流與交流信號的固體器件．它具有輸入阻抗高，開環(huán)增益高以及輸出阻抗小等特點(diǎn)．目前廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、無線電技術(shù)和各種非電量的電測線路中．運(yùn)算放大器內(nèi)部電路通常都是很復(fù)雜的，但是不管其內(nèi)部電路如何復(fù)雜，它與外界的圖4集成運(yùn)算放大器的電路常用符號圖5常用集成運(yùn)算放大器的引腳圖連接是簡單的．大多數(shù)集成運(yùn)算放大器都是雙輸入、單輸出的高增益直流放大器．除了兩個(gè)信號輸入端和一個(gè)輸出端外，還有兩個(gè)正負(fù)電源引入端和調(diào)零端，有時(shí)還有相位補(bǔ)償以及一些特殊引出端．討論由運(yùn)放構(gòu)成的電路時(shí)，運(yùn)放的

7、內(nèi)部電路一般無關(guān)緊要，通常用一個(gè)電路圖形符號來表示運(yùn)放（如圖4所示）．在運(yùn)放圖形符號中，標(biāo)有“+”號的信號輸入端稱為同相輸入端，即信號從這一端口引入時(shí)，輸入信號和輸出信號相位相同；標(biāo)有“－”的信號輸入端稱為反相輸入端，即信號從這一端口引入時(shí)，輸入信號和輸出信號相位相差180度．3．集成運(yùn)算放大器的等效電路運(yùn)算放大器的簡化等效電路如圖6所示．使用集成運(yùn)放，首先需要知道的是它有關(guān)參數(shù)和各個(gè)管腳的用途（見圖5）．集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)如下：（1）輸出最大電壓Uopp在額定電源電壓下，集成運(yùn)放所輸出的最大不失真電壓的峰-峰值為Uopp，一般Uo