图9 WGD-8A（倍增管）工作界面
工作方式→模式：选为能量(E)。
工作方式→间隔：可选为1.0nm、0.50nm、0.10nm、0.05nm、0.02nm、和0.01nm（根据需要自己选定）。 工作范围：在起始、终止波长和最大、最小值四个编辑框中输入相应的值，以确定扫描时的范围（数值自己在实验中摸索确定）。 负高压调节：手动调节负高压（数值自己在实验中摸索确定），由仪表读数；关机时将负高压调至零位。
工作状态→增益：设置放大器的放大率。设1~8共八档（数值自己在实验中摸索确定）。 工作状态→采集次数：在每个数据点，采集数据取平均的次数。拖动滑块，可在1~1000次之间改变。
（3） 将钠灯的狭缝调正到适当宽度。
狭缝为直狭缝，宽度范围0~2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.1~0.5mm左右。
图10 “参数 设置”对话框 6
图11 钠灯衍射谱 （4）单击主工具栏中的“单程”扫描，则可得到钠灯的衍射谱线，由得到的谱线去兼顾调整狭缝宽度，光源的远近，手动调节负高压，参数设置中的最 大、最小值，放大器的放大率等参数。最终会得到合适的钠灯衍射曲线（见图11）。然后点开读取数据菜单，开始寻峰，将所读数据与钠谱线的标准波长（589.0nm和589.6nm）作比较，然后点击“读取数据”菜单中的“波长修正”修正钠灯的波长。
2、测汞灯谱线波长。操作步骤同上。将
测量结果填写在表1中，并与标准谱进行比较计算出相对误差。
表1汞灯谱线波长测量结果
标准谱?0（nm） 测量值?（nm） 365．0 404．4 407．8 435．8 491．6 496．4 546．1 577．0 579．1 ???0E??100% ?0
3、实验结束后，关闭计算机电源。将负高压调至零位，关闭汞灯和测谱仪光源，狭缝关到0.1~0.5mm左右。
注意事项：
实验时不宜用强光照射狭缝。光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。 【课前思考题】
1． 多缝平面透射光栅的结构如何？其光栅方程是什么？ 2． 画出多缝平面透射光栅衍射光强分布曲线。 3. 普通反射式闪耀光栅的光栅方程是什么？
4. 与多缝透射光栅相比反射式闪耀光栅的主要优点是什么？具体说明其理由。 【课后思考题】
1．在观测条件完全相同的情况下，汞灯各条谱线的强度与钠灯谱线相比如何？为什么？ 2．分别画出负高压调节为200、500、700时汞灯的衍射曲线，分析负高压调节的作用。 3．若用汞灯的579nm谱线进行波长修正，测量汞灯其他谱线波长可以吗？将其测量数据与前面的实验数据进行比较。
4. 光栅光谱仪的色散率是常数吗？实验如何改进可以将?测得更准确？
7
实验二 夫兰克-赫兹实验
1913年，玻尔建立了原子模型理论，提出了原子定态假设。1914年，夫兰克和赫兹用加速电子碰撞原子的方法，使原子从低能级激发到高级级，通过对电子与原子碰撞时能量交换的研究，直接证实了原子定态的存在，清晰地提示了原子的能级图像，给玻尔理论提供了一个有力的实验依据。夫兰克及赫兹的这项工作获得了1925年度的诺贝尔物理学奖金。 【实验目的】
证明原子定态的存在，求出汞原子的第一激发电位。 【仪器用具】
夫兰克-赫兹管、控温加热炉、夫兰克-赫兹电源及微电流测量放大器、超低频示波器。 【实验原理】 一、基本原理
玻尔提出的原子模型理论指出：原子中的电子绕原子核运动，其所处的状态不是任意的，而只能处于能量为分立值E1、E2…En的诸状态中的一个状态。处于这些状态中的电子虽然绕核做加速运动，但并不辐射能量，只有从能量较高的En状态过渡到能量较低的Em状态时，原子才以光子的形式辐射能量，其光子的能量h?由下列关系决定
h??En?Em
（1）
式中，h为普朗克常数，?为光子的频率。
从高能级到低能级的跃迁并释放能量一般是自发进行的；而原子从低能级到高能级的跃迁则需要外界提供能量。为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定动能的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。原子在没有受到外界扰动时，一般处于能量最低的基态，与基态能量差最小的受激态称为第一激发态，此能量差称为临界能量，即
?E?E2?E1 （2） 式中，?E为临界能量，E1基态能量，E2为第一激发态能量。
当电子的动能小于此临界能量时，电子与原子间只产生弹性碰撞，并不交换能量；只有当电子的动能大于此临界能量时，电子才与原子产生非弹性碰撞而交换能量，使原子被激发到节一激发态上去，电子将其相当于临界能量的一部分动能转移给原子，剩余的能量仍由电子保留。 实验中，电子的动能是由加速电场对电子的作用而获得的。初速为零的电子位于加速电场中，若加速电位为U，则加速电子的动能为eU。如果电子具有的动能恰好等于原子的临界能量，即
eU?E2?E1 （3）
则此时的加速电位U称原子的第一激发电位，记为Eg。 二、夫兰克-赫兹实验规律
夫兰克-赫兹实验中，电子与原子的碰撞是密封在玻璃管中进行的，管子在密封前被抽成真空,然后充入汞，管内装有阴极K、栅极G及板极A，此管称为夫兰克-赫兹管。实验时，夫兰克-赫兹管放在控温炉中，实验温度在120~2000C之间，管中汞为气态。夫兰克-赫兹实验的示意图如图1所示。
在充汞的夫兰克-赫兹管中，电子从阴板K发出，在阴极K与栅极G之间加有连续可调的加速电压UGK，在板
8
图1 夫兰克-赫兹实验的示意
极A与栅极G之间加有反向拒斥电压。在板极回路中接有检流计，用以测量板流，此板流是由阴极K发射的电子到达板极A产生的。 如果汞原子能连续地吸收能量，则不论加速电压多大，电子的能量均可以被汞原子吸收，电子失去其动能无法克服G-A间电场的作用而到达板极，检流计中将没有电流通过；如果电子的能量始终不能被汞原子吸收，那么板极电流就随着加速电压的升高而不断增加，直到板流饱和为止。但实验结果恰好不是上面两种情况，而是得到如图2所示的曲线，从图中曲线可以找出以下规律： （1）电流不是单调地上升，曲线中多次出现峰值与谷值。 （2）相邻的二峰值之间对应的加速电位差均为4.9V，只有第一峰值点电位不是4.9V，这是由于管子间存在着接触电位差，使整个曲线发生平移。
三、对夫兰克-赫芝实验规律的解释
（1）当UGK?4.9V时，电子的动能随UGK的增大而增大。但由于大部分电子的动能小于汞原子的临界能量，而不足以使汞原子激
图2 夫兰克-赫芝实验iA?UGK曲线 发，只能与汞原子发生弹性碰撞而不损失能量。
注意到电子初速度的统计分布，可以解释板流iA随UGK的增加而上升。
（2）当UGK达到4.9V时，那些在栅极附近的电子由于其动能已经大于或等于Ug，和汞原子碰撞后能将汞原子从基态激发到第一激发态，碰撞使电子动能大部分甚至全部损失掉，这样的电子将不再能克服G-A间的拒斥电场而达到板极，致使板流下降，因此曲线出现第一个峰值。
（3）当UGK?4.9V时，随着UGK的增加，电子在没到达栅极之前就有足够的能量与汞原子发生非弹性碰撞，致使板流继续下降，直到与汞原子发生非弹性碰撞后又被加速的电子以及被汞原子吸收4.9eV后仍具有足够能量的电子，能够克服拒斥电场而到达板极时，电流才增加。当UGK?2?4.9V时，很多电子在GK空间可能与汞原子发生两次非弹性碰撞，使电流再次突然减小。以此类推，可以解释曲线其它极值产生的原因。以上的解释中自然地得出结论：汞原子的第一激发电位等于4.9V。处于基态的汞原子，在吸收了4.9eV的能量后，跃迁到第一激发态。处于第一激发态的原子经一短暂的时间会返回基态，同时有4.9eV的能量以光波形式辐射出来，由式（1）和（3）可得
eUg?h??hc/?
所以波长
hc6.63?10?34?3.00?1082????2.5?10(nm) ?19eUg4.9?1.6?10实验测得从夫兰克-赫兹管中辐射的光波波长为253.7nm，与理论结果相符，这样，夫
兰克-赫兹实验就证明了汞原子中电子定态的存在。
【实验操作说明】
1．智能夫兰克-赫兹实验仪面板及基本操作介绍 （1）智能夫兰克-赫兹实验仪前面板功能说明
智能夫兰克-赫兹实验仪前面板如图3所示，以功能划分为八个区：
9
图3 夫兰克-赫芝实验装置图
区①是夫兰克—赫兹管各输入电压连接插孔和板极电流输出插座。 区②是夫兰克—赫兹管所需激励电压的输出连接插孔，其中左侧输出孔为正极，右侧为负极。
区③是测试电流指示区：四位七段数码管指示电流值；四个电流量程档位选择按键用于选择不同的最大电流量程档；每一个量程选择同时备有一个选择指示灯指示当前电流量程档位。
区④是测试电压指示区：四位七段数码管指示当前选择电压源的电压值；四个电压源选择按键用于选择不同的电压源；每一个电压源选择都备有一个选择指示灯指示当前选择的电压源。
区⑤是测试信号输入输出区：电流输入插座输入夫兰克—赫兹板极电流；信号输出和同步输出插座可将信号送示波器显示。
区⑥调整按键区，用于：改变当前电压源电压设定值；设置查询电压点。
区⑦是工作状态指示区：通信指示灯指示实验仪与计算机的通信状态；启动按键与工作方式按键共同完成多种操作，详细说明见相关栏目。
区⑧是电源开关。
（2）智能夫兰克—赫兹实验仪后面板说明
智能夫兰克—赫兹实验仪后面板上有交流电源插座，插座上自带有保险管座； 如果实验仪已升级为微机型，则通信插座可连计算机，否则，该插座不可使用。 （3）智能夫兰克—赫兹实验仪连线说明
在确认供电电网电压无误后，将随机提供电源连线插入后面板的电源插座中； 连接面板上的连接线（连线图见图4）。务必反复检查，切勿连错！！！ （4）开机后的初始状态
开机后，实验仪面板状态显示如下：
a．实验仪的“1mA”电流档位指示灯亮，表明此时电流的量程为1mA挡；电流显示值为000.0uA：
b．实验仪的“灯丝电压”档位指示灯亮，表明此时修改的电压为灯丝电压；电压显示
10