充氖夫蘭克-赫茲管的發射光譜研究

蘇衛鋒,樂永康

(復旦大學物理教學實驗中心,上海200433)

充氖夫蘭克-赫茲管的發射光譜研究

蘇衛鋒,樂永康

(復旦大學物理教學實驗中心,上海200433)

用光柵光譜儀測量了夫蘭克-赫茲實驗中Ne原子的發射光譜.光譜分析表明,橙黃色的發射光包含多條譜線,已標定的譜線都是Ne原子從第二激發態的各個子能級躍遷到第一激發態的對應能級所產生的.

充Ne夫蘭克-赫茲管;發射光譜;激發電位

1 引 言

夫蘭克-赫茲實驗是近代物理物理學史上的經典實驗,它研究了電子與原子間的相互作用,并巧妙地通過用改變加速電壓的大小來控制電子的能量,用減速電壓來確定電子經過碰撞后剩余的能量,從而得到碰撞中電子傳遞給原子的能量.實驗中得到的 I-V曲線上周期性出現的“峰-谷”特征成了玻爾量子論的最直接的證據之一.

一般來說,夫蘭克-赫茲實驗是為高年級學生開設的近代物理實驗,復旦大學物理教學實驗中心在2000年開始嘗試把該實驗“下放”到普通物理實驗中,面向二年級的學生開設.隨著教學改革的進一步深入,2002年開始嘗試把該實驗放到面向一年級學生開設的基礎物理實驗中.當然教學儀器和教學內容也做了相應調整,在強調物理內涵的同時,也注意提高學生的學習興趣.選擇萊寶公司的夫蘭克-赫茲實驗儀(555871),該實驗儀使用充Ne的夫蘭克-赫茲管,并把電極做成平板狀,學生在研究電子與Ne原子碰撞過程的能量傳遞的同時,還可以清晰地看到受激的Ne原子退激時發出的光.實驗教學過程中,學生很想了解的實驗中觀察到的發光與Ne原子從第一激發電位之間存在怎樣的關系?

為了回答這個問題,我們用光柵光譜儀研究了實驗時充Ne夫蘭克-赫茲管的發射光譜,并標定了大部分的譜線,這有利于學生對實驗結果有更準確更全面的理解.

2 充Ne夫蘭克-赫茲管在實驗中的發光

圖1是實驗中觀察到Ne原子退激發所發出的光,3片發光區位于控制柵極和加速柵極之間.在加速電壓的作用下,電子從控制柵極向加速柵極運動,如果加速電壓足夠大,電子就可以獲得足夠的能量把Ne原子激發.由于激發態是不穩定的狀態,Ne原子會退激發回到基態,退激發的過程中會以光子的形式釋放能量,當光子的頻率處于可見光的范圍,就可以觀察到發光.圖1中所示的發光現象是在加速電壓為65.0 V時拍攝的,3片發光區說明電子在從控制柵極向加速柵極運動的過程中與原子發生了3次非彈性碰撞,把Ne原子激發后,Ne原子退激發發出的光.那么這3片發光是不是Ne原子從第一激發態返回基態發出的光呢?要做出判斷,首先從實驗中得到的 IU曲線入手,通過如圖2所示的I-U曲線可知,實驗中測得的Ne原子的第一激發電位為17.4 V,經計算易得知17.4 eV對應的波長為63.1 nm,是不可見的.實驗中看到的光大概是橙黃色,黃色到紅色對應波長范圍是570～770 nm,我們看到的光是從哪里來的呢?

Ne原子最低的幾個電子組態及其所對應的能量如圖3所示,從圖3中可以看到,Ne原子的第一激發態電子組態是2S22P53S1,它有4個精細結構,對應的能量分別為16.62,16.67,16.72,16.85 eV.第二激發態的電子組態是2S22P53P1,它有9個精細結構 ,對應的能量分別為18.38,18．56，18．58，18．61，18．64，18．69，18．70，18．71，18．73，18．97犲犞．這2個能級之間電子躍遷可釋放出的光的頻率范圍是528～811 nm,實驗中所看到的光恰好在這個范圍.

圖1 Ne原子退激發發出的光

圖2 I-U曲線

圖3 Ne原子的電子組態及其對應的激發能量

3 光譜測量與分析

為了進一步確認實驗中所看到光到底來自于哪些能級之間的電子躍遷,我們用光柵光譜儀對發光區做了光譜測量,并且與標準的Ne光譜進行了比對,如圖4所示.通過比較,可以看到實測的光譜與標準譜符合得非常好,并且還可以得出各譜線來源于哪些能級之間的躍遷.圖5列出了圖4中所標出的10條譜線的來源.

圖4 實測的Ne光譜與Ne原子標準譜的比較

圖5 實驗中測量的光譜對應的能級躍遷

4 結束語

通過對Ne管中由于Ne原子退激發而發出的光做光譜測量,可以得出實驗中看到的發光主要集中在585～705 nm,光不是由于Ne原子由第一激發態返回基態時發出的,而是來源于第二激發態到第一激發態之間的躍遷.由于這2個能級都有一定的精細結構,實驗中看到的光不是單色光,頻率范圍介于黃色到紅色之間.

[1]蘇衛鋒,白翠琴.弗蘭克-赫茲實驗教學內容剖析[J].物理實驗,2008,28(增):37-38.

[2]沈元華,陸申龍.基礎物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2003:326-332.

[3]Saloman EB,Sansonetti GJ.Wavelengths,energy level classifications,and energy levers for the spectrum of neutral neon[J].J.Phys.Chem.Ref.Data,2004,33(4):1113-1158.

[4]Basic atomic spectroscopic data[DB/ON].http://physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/Tables/neontable3.htm.

[責任編輯:郭 偉]

Em ission spectrum study of the neon tube in Franck-Hertz experiment

SU Wei-feng,LE Yong-kang
(Teaching Lab of Physics Department,Fudan University,Shanghai 200433,China)

The emission spectrum of the neon tube in the Franck-Hertz experiment wasmeasured by the grating spectrometer.It show ed that the o range em ission consisted of several spectral lines.A ll The labeled lines corresponded to the transitions of the sublevels of the second excited state to those of the first excited state.

Franck-Hertz tube w ith Ne;emission spectrum;excitation voltage

O571.2

A

1005-4642(2011)04-0034-02

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-18

蘇衛鋒(1977-),女,山東荷澤人,復旦大學物理教學實驗中心講師,博士,從事凝聚態物理方面的教學和研究工作.