苏卫锋，乐永康，充氖夫兰克-赫兹管的发射光谱研究[J]，物理实验, 2011, 31(4):34；.pdf

物 第 31 卷 第4期 2011 年 4 月 理 实 验 V o l. 31 N o . 4 A pr . , 2011 P H YSICS EXP ERIMEN T AT ION 充氖夫兰克-赫兹管的发射光谱研究 苏卫锋 , 乐永康 (复旦大学 物理教学实验中心 , 上海 200433) 摘 要: 用光栅光谱仪测量了夫兰克-赫兹实验中 Ne 原子的发射光谱 .光谱分析表 明 , 橙黄 色的发射 光包含多条 谱 线 , 已标定的谱线都是 Ne 原子从第 二激发态的各个子能级跃迁到第一激发态的对应能级所产生的 . 关键词 : 充 Ne 夫兰克-赫兹管 ; 发射光谱 ; 激发电位 中图分类号 : O 571. 2 1 引 文献标识码 : A 文章编号 : 1005-4642(2011)04-0034-02 言 2 充 Ne 夫兰克-赫兹管在实验中的发光 夫兰克-赫兹实验是近代物理物理学史上的 经典实验 , 它研究了电子与原子间的相互作用 , 并 图 1 是实验中观察到 Ne 原子退激发所发出 的光 , 3 片发光区位于控制栅极和加速栅极之间 . 巧妙地通过用改变加速电压的大小来控制电子的 能量 , 用减速电压来确定电子经过碰撞后剩余的 在加速电压的作用下 , 电子从控制栅极向加速栅 极运动 , 如果加速电压足够大 , 电子就可以获得足 能量 , 从而得到碰撞中电子 传递给原子的能量 . 实验中得到的 I-V 曲线上周期性出现的“ 峰-谷” 够的能量把 Ne 原子激发 .由于激发态是不稳定 的状态 , Ne 原子会退激发回到基态 , 退激发的过 特征成了玻尔量子论的最直接的证据之一 . 一般来说 , 夫兰克-赫兹实验是为高年级学生 程中会以光子的形式释放能量 , 当光子的频率处 于可见光的范围 , 就可以观察到发光 .图 1 中所 开设的近代物理实验 , 复旦大学物理教学实验中 心在 2000 年开始尝试把该实验“下放” 到普通物 示的发光现象是在加速电压为 65 . 0 V 时拍摄的 , 理实验中 , 面向二年级的学生开设 .随着教学改 革的进一步深入 , 2002 年开始尝试把该实验放到 3 片发光区说明电子在从控制栅极向加速栅极运 动的过程中与原子发生了 3 次非弹性碰撞 , 把 Ne 面向一年级学生开设的基础物理实验中 .当然教 原子激发后 , Ne 原子退激发发出的光 .那么这 3 片发光是不是 Ne 原子从第一激发态返回基态发 学仪器和教学内容也做了相应调整 , 在强调物理 内涵的同时 , 也注意提高学生的学习兴趣 .选择 出的光呢 ? 要做出判断 , 首先从实验中得到的 IU 曲线入手 , 通过如图 2 所示的 I-U 曲线可知 , 实 莱宝公司的夫兰克-赫兹实验仪(555871), 该实验 仪使用充 Ne 的夫兰克-赫兹管 , 并把电极做成平 验中测得的 Ne 原子的第一 激发电位为17 . 4V, 板状 , 学生在研究电子与 Ne 原子碰撞过程的能 量传递的同时 , 还可以清晰地看到受激的 Ne 原 子退激时发出的光 .实验教学过程中 , 学生很想 了解的实验中观察到的发光与 Ne 原子从第一激 发电位之间存在怎样的关系 ? 为了回答这个问题 , 我们用光栅光谱仪研究 经计算易得知 17 . 4 eV 对应的波 长为63 . 1 nm , 是不可见的 .实验中看到的光大概是橙黄色 , 黄 色到红色对应波长范围是 570 ～ 770 nm , 我们看 到的光是从哪里来的呢 ? Ne 原子最低的几个电子组态及其所对应的 能量如图 3 所示 , 从图 3 中可以看到 , Ne 原子的 2 5 1 了实验时充 Ne 夫兰克-赫兹管的发射光谱 , 并标 第一激发态电子组态是 2S 2P 3S , 它有 4 个精 细结构 , 对应的能量分别为 16 . 62 , 16 . 67 , 16 . 72 , 定了大部分的谱线 , 这有利于学生对实验结果有 更准确更全面的理解 . 16 . 85 eV .第二激发态的电子组态是 2S 2P 3P , 它有 9 个精细结构 , 对应的能量分 别为 18 . 38 , 2 5 1 “ 第 6 届全国高等学校物理实验教学研讨会” 论文 收稿日期 : 2010-06-18 作者简介 : 苏卫锋(1977-), 女 , 山东荷泽人 , 复 旦大学物理教学实验中心讲师 , 博士 , 从事凝聚态物理方 面的教学和 研 究工作 . 苏卫锋 , 等 : 充氖夫兰克-赫兹管的发射光谱研究 第4期 图1 35 N e 原子退激发发出的光 图4 图2 实测的 N e 光谱与 N e 原子标准谱的比较 I-U 曲线 18． 56， 18． 58， 18． 61， 18．64， 18． 69， 18．70， 18． 71， 图 5 实验中测量的光谱对应 的能级跃迁 18． 73， 18．97 eV．这 2 个能级之间电子跃迁可释 放出的光的频率范围是 528 ～ 811 nm , 实验中所 看到的光恰好在这个范围 . 4 结束语 通过对 Ne 管中由于 Ne 原子退激发而发出 的光做光谱测量 , 可以得出实验中看到的发光主 要集中在 585 ～ 705 nm , 光不是由于 Ne 原子由第 一激发态返回基态时发出的 , 而是来源于第二激 发态到第一激发态之间的跃迁 .由于这 2 个能级 都有一定的精细结构 , 实验中看到的光不是单色 光 , 频率范围介于黄色到红色之间 . 参考文献 : 图 3 N e 原子的电子组态及其对应的激发 能量 3 光谱测量与分析 为了进一步确认实验中所看到光到底来自于 哪些能级之间的电子跃迁 , 我们用光栅光谱仪对 发光区做了光谱 测量 , 并且与标准的 Ne 光谱进 [ 1] [ J] .物理实验 , 2008 , 28(增): 37-38. [ 2] 各谱线来源于哪些能级之间的跃迁 .图 5 列出了 图 4 中所标出的 10 条谱线的来源 . 沈元华 , 陆申龙 .基础物 理实验[ M] .北京 : 高等 教 育出版社 , 2003 : 326-332 . [ 3] Salo man E B , Sanso netti G J.Waveleng ths, ener gy level classificatio ns , and e nerg y leve rs for the spectrum of neut ral neo n [ J] .J.P hy s .Chem .Ref .Da- 行了比对 , 如图 4 所示 .通过比较 , 可以看到实测 的光谱与标准谱符合得非常好 , 并且还可以得出 苏 卫锋 , 白翠 琴 .弗 兰克-赫 兹 实验 教 学 内容 剖 析 ta , 2004, 33(4): 1113-1158. [ 4] Ba sic a tomic spectro scopic data [ DB/ O N] .http: // phy sics .nist.go v/ PhysRefData/ Handbo ok/ T able s/ neontable3. htm . (下转第 38 页) 物 38 理 实 验 第 31 卷 Design of finely amplitude modulating gravity accelerator LI Cheng-long , LI Yong (School of M athematics and P hy sics , A nhui Universit y of Science and T echno logy , Huai nan 232001 , Chi na) Abstract :T he gravit y accelerat or ado pted t he me thod o f measuring pendulum lengt h by capaci tive digit al caliper di splacem ent sensor .T he diag raph o f varie ty of sim ple pendulum co uld be measured in hig h preci sion , and t he inf luence of the vibrat or dimension and the deviat ion o f t he g ravi ty cent er could be av oided .T he pe rio d of simple pendulum w as measured mo re accurately by an addit ional timing inst al lation w it h hig h precision ;hence the preci sion of acceleration o f g ravi ty w as raised . Key words:capacit ive digi tal caliper ;acceleration ;peri odici ty ;pendulum of cone ;pendulum of micro-swing [ 责任编辑 : 郭 伟] (上接第 35 页) Emission spectrum study of the neon tube in Franck-Hertz experiment SU W ei-feng , LE Yong-kang (T eachi ng L ab of Phy sics Department , F udan Universit y , Shanghai 200433 , China) Abstract :T he emi ssion spect rum of the neon tube in the F ranck-He rtz experim ent w as measured by t he g rat ing spect rome ter .It show ed that t he o range emission consist ed o f sev eral spect ral lines . All T he labeled lines co rresponded to the t ransitio ns of t he sublevels of t he second ex cit ed stat e t o tho se of the fi rst ex cit ed st ate . Key words:F ranck-H ertz tube w it h Ne ;emi ssion spect rum ;ex cit ation v olt ag e [ 责任编辑 : 郭 伟] 欢迎订阅 欢迎投稿 《物理实验》创刊于 1980 年 , 是教育部主管 、东北师范大学主办的中文核心期刊(物理类), 是教育部 物理学与天文学教学指导委员会的会刊 . 《物理实验》主要刊载物理实验成果 , 交流物理实验教学改革的新思想 、新方法 、新动态 .开设的栏 目有 : 实验教学 , 实验与应用 , 数据处理与误差分析 , 仪器设计与使用 , 实验教学研究 , 基础教育研究 , 实 验技术与技巧 , 集锦 , 问题讨论 , 国外实验教学介绍 , 学生园地等 .适合于物理实验工作者 , 大 、中学校的 物理教师 , 理工科的本科生 、研究生及教学仪器研制人员阅读 . 《物理实验》愿为广大作者提供交流信息的窗口 , 展示成果的园地 , 为广大读者提供丰富的精神食 粮 , 为广大仪器生产厂家提供展示成果的舞台 . 《物理实验》杂志为月刊 , 全国各地邮局均可订阅 , 邮发代号为 12-44 .若错过邮局订阅时间 , 可直接 与编辑部联系 . 《物理实验》编辑部