CN205959502U - 一种弗兰克‑赫兹实验仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种弗兰克‑赫兹实验仪。本实用新型的弗兰克‑赫兹实验仪包括：弗兰克‑赫兹管、灯丝电压电源、加速电压电源、反向减速电压电源、高压运放、高压运放电源、高精度运放、高精度运放电源、数据采集卡和计算机；本实用新型采用高压运放、高精度运放和数据采集卡，学生能够在实验中自主设计和组建实验仪，并实现自动化控制；同时，实现对输出电压的自主控制，并监控信号，在信号过大时自动切断电压输出，从而保护弗兰克‑赫兹管不被击穿；另一方面可以利用自动化系统方便的对弗兰克‑赫兹实验的物理内容进行深入的研究，因此在教学上有很强的推广价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及大学物理实验教学仪器，具体涉及一种弗兰克-赫兹实验仪。
背景技术
物理学家弗兰克(J.Franck)和赫兹(G.Hertz)在1914年所进行的弗兰克-赫兹实验，为原子能级模型首次提供了实验证据，因此获得了1925年的诺贝尔物理学奖。这一实验是物理学历史上的经典实验之一，目前出现在很多大学的物理实验课程中。
弗兰克-赫兹实验仪的原理图如图1所示，在弗兰克-赫兹管内，灯丝F加热阴极K，使阴极K发射电子；阴极K与第一栅极G1之间加一个加速电压UKG1；阴极K与第二栅极G2之间加一个可调的加速电压UKG2，加速电压UKG2使电子加速获得能量，并与弗兰克-赫兹管内的原子态气体发生碰撞，由于原子态气体有固定的能级，电子激发原子态气体跃迁时所损失的能量是固定的值；板极P用来收集电子，板极与第二栅极G2之间加一个反向的减速电压UG2P，使损失能量后的低能电子无法克服减速电压UG2P的阻滞作用到达板极P，从而造成板极电流IP的下降。随着加速电压UKG2从零开始不断增大，每当电子获得足够能量可以激发原子态气体的跃迁，板极电流IP就出现下降，最终形成周期性的弗兰克-赫兹曲线，曲线的周期对应电子每次损失的能量，也就是原子的跃迁能量。弗兰克-赫兹实验为原子能级的存在第一次提供了直接的实验证据，对玻尔的原子能级模型是一个有力支持。
目前，大多数实验室要求学生对该实验中的数据进行手动采集，需要大量的数据记录与处理，且实验本身不很稳定，可导致实验误差较大等一系列问题。而已有的计算机控制弗兰克-赫兹实验都是厂家提供成套设备，学生只能直接被动使用设备，无法进行自主性的操作。
实用新型内容
针对以上现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种弗兰克-赫兹实验仪，可以由学生自主设计并组建，实现自动化控制；另一方面可以利用自动化系统方便的对弗兰克-赫兹实验的物理内容进行深入的研究，因此在教学上有很强的推广价值。
本实用新型的弗兰克-赫兹实验仪包括：弗兰克-赫兹管、灯丝电压电源、加速电压电源、反向减速电压电源、高压运放、高压运放电源、高精度运放、高精度运放电源、数据采集卡和计算机；其中，弗兰克-赫兹管包括在真空管内依次放置的灯丝、阴极、第一栅极、第二栅极和板极，真空管内充原子态气体；灯丝连接灯丝电压电源；阴极与第一栅极之间连接加速电压电源；第二栅极与地之间设置反向减速电压电源；计算机连接数据采集卡，数据采集卡的输出端连接至高压运放的负输入端，高压运放的正输入端接地，高压运放的输出端连接至阴极，高压运放的供电电极连接至高压运放电源；板极连接至高精度运放的负输入端，高精度运放的正输入端接地，高精度运放的输出端连接至数据采集卡的输入端，高精度运放的供电电极连接至高精度运放电源。
灯丝电压电源提供电压使灯丝加热，加热的灯丝进一步加热阴极，使阴极发射电子。加速电压电源提供阴极与第一栅极之间的加速电压，用于消除阴极热发射电子的空间电荷积累效应；阴极与第二栅极之间加一个可调加速电压，使电子加速获得能量，并与弗兰克-赫兹管内的原子态气体发生碰撞，当电子能量足够激发原子态气体跃迁时，电子损失能量，由于原子态气体有固定能级，电子损失能量是固定的值；板极收集电子；板极电极连接至高精度运放的负输入端，高精度运放的正输入端接地，高精度运放工作时，正负输入端近似等电势，板极电势近似为零，在第二栅极与地之间设置反向减速电压电源，相当于在第二栅极与板级之间设置反向减速电压，反向减速电压使损失能量后的低能电子无法克服减速电压的阻滞作用到达板极，从而造成板极电流的下降。计算机控制数据采集卡的输出端口，输出连续可调的电压，电压在-10～+10V之间，数据采集卡输出连续可调的电压输入至高压运放的输入端，经高压运放进行放大并在高压运放的输出端产生一个放大的正负反号的电压，高压运放的输出端连接至阴极，使阴极电势远低于第二栅极的电势，从而为阴极和第二栅极之间提供可调加速电压。高精度运放将板极电流放大为电压信号，由数据采集卡的输入端采集至计算机。随着可调加速电压从零开始不断增大，每当电子获得足够能量可以激发原子态气体的跃迁，板极电流就出现下降，最终形成周期性的弗兰克-赫兹曲线，曲线的周期对应电子每次损失的能量，也就是原子的跃迁能量。
数据采集卡的输出端经第一电阻R1连接至高压运放的负输入端，高压运放的正输入端接地，高压运放的负输入端与输出端之间连接第二电阻R2，作为反馈电阻，使输入的电压信号放大为一个正负反号的高压信号，高压运放的输出端连接至阴极；第二栅极经反向减速电压电源接地，第二电阻与第一电阻的比值R2/R1为高压运放的电压放大倍数。
板极连接至高精度运放的负输入端，高精度运放的正输入端接地，高精度运放的负输入端与输出端之间连接第三电阻R3，作为反馈电阻，高精度运放的输出端连接数据采集卡的输入端；板极电流经第三电阻后，将电流信号转变为电压信号传输至数据采集卡的输入端。第三电阻R3的阻值决定了高精度运放对板极电流Ip的放大倍数，高精度运放的输出电压Vop＝Ip×R3。
进一步，当测量到板极电流超过安全阈值时，数据采集卡的输出电压设置为0，从而保护弗兰克-赫兹管不被击穿。
本实用新型的优点：
本实用新型采用高压运放、高精度运放和数据采集卡，学生能够在实验中自主设计和组建实验仪，并实现自动化控制；同时，实现对输出电压的自主控制，并监控信号，在信号过大时自动切断电压输出，从而保护弗兰克-赫兹管不被击穿；另一方面可以利用自动化系统方便的对弗兰克-赫兹实验的物理内容进行深入的研究，因此在教学上有很强的推广价值。
附图说明
图1为弗兰克-赫兹实验仪的原理图；
图2为本实用新型的弗兰克-赫兹实验仪的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。
如图2所示，本实施例的弗兰克-赫兹实验仪包括：弗兰克-赫兹管、灯丝电压电源、加速电压电源、反向减速电压电源、高压运放HOP、高压运放电源、高精度运放OP、高精度运放电源、数据采集卡DAQ和计算机CPU；其中，弗兰克-赫兹管包括在真空管内依次放置的灯丝F、阴极K、第一栅极G1、第二栅极G2和板极P，真空管内充原子态气体；灯丝F连接灯丝电压电源；阴极K与第一栅极G1之间连接加速电压电源；第二栅极G2与地之间设置反向减速电压电源；计算机CPU连接数据采集卡DAQ，数据采集卡的输出端out经第一电阻R1连接至高压运放的负输入端，高压运放的正输入端接地，高压运放的负输入端与输出端之间连接第二电阻R2，作为反馈电阻，使输入的电压信号放大为一个正负反号的高压信号，高压运放的输出端连接至阴极K，高压运放的供电电极连接至高压运放电源；板极P连接至高精度运放OP的负输入端，高精度运放的正输入端接地，高精度运放的负输入端与输出端之间连接第三电阻R3，作为反馈电阻，板极电流经第三电阻后，将电流信号转变为电压信号传输至数据采集卡的输入端in，高精度运放的供电电极连接至高精度运放电源。
本实施例中，第一电阻R1为10kΩ，第二电阻R2为100KΩ，第二电阻与第一电阻的比值R2/R1为高压运放的电压放大倍数，即放大倍数为10。数据采集卡的输出电压为-5～+5V，从而经高压运放HOP后的输出电压UHOP为+50～-50V。第二栅极G2与阴极K之间的电势差为可调加速电压UKG2，第二栅极与板极之间的电压为UG2P，则UKG2＝UG2P-UHOP，通过数据采集卡控制高压运放的输出电压UHOP，从而实现第二栅极与阴极之间的电压任意可调。
R3为100MΩ，可将电流值为1nA量级的板极电流Ip转化为100mV量级的输出电压，从而可以通过数据采集卡进行采集。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (6)
1.一种弗兰克-赫兹实验仪，其特征在于，所述弗兰克-赫兹实验仪包括：弗兰克-赫兹管、灯丝电压电源、加速电压电源、反向减速电压电源、高压运放、高压运放电源、高精度运放、高精度运放电源、数据采集卡和计算机；其中，所述弗兰克-赫兹管包括在真空管内依次放置的灯丝、阴极、第一栅极、第二栅极和板极，真空管内充原子态气体；所述灯丝连接灯丝电压电源；所述阴极与第一栅极之间连接加速电压电源；所述第二栅极与地之间设置反向减速电压电源；所述计算机连接数据采集卡，数据采集卡的输出端连接至高压运放的负输入端，高压运放的正输入端接地，高压运放的输出端连接至阴极，高压运放的供电电极连接至高压运放电源；所述板极连接至高精度运放的负输入端，高精度运放的正输入端接地，高精度运放的输出端连接至数据采集卡的输入端，高精度运放的供电电极连接至高精度运放电源。
2.如权利要求1所述的弗兰克-赫兹实验仪，其特征在于，所述数据采集卡输出的电压在-10～+10V之间。
3.如权利要求1所述的弗兰克-赫兹实验仪，其特征在于，所述数据采集卡的输出端经第一电阻R1连接至高压运放的负输入端，高压运放的负输入端与输出端之间连接第二电阻R2，作为反馈电阻。
4.如权利要求1所述的弗兰克-赫兹实验仪，其特征在于，所述高精度运放的负输入端与输出端之间连接第三电阻R3，作为反馈电阻。
5.如权利要求3所述的弗兰克-赫兹实验仪，其特征在于，所述第二电阻与第一电阻的比值R2/R1为高压运放的电压放大倍数。
6.如权利要求4所述的弗兰克-赫兹实验仪，其特征在于，所述第三电阻R3的阻值决定了高精度运放对板极电流Ip的放大倍数，高精度运放的输出电压Vop＝Ip×R3。
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| CN108957101A (zh) * | 2018-07-30 | 2018-12-07 | 长安大学 | 一种氩原子第二激发电位的测量方法 |
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