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)

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)

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.

充Ne夫兰克-赫兹管;发射光谱;激发电位

1 引 言

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”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面向一年级学生开设的基础物理实验中.当然教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了实验时充Ne夫兰克-赫兹管的发射光谱,并标定了大部分的谱线,这有利于学生对实验结果有更准确更全面的理解.

2 充Ne夫兰克-赫兹管在实验中的发光

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.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中所示的发光现象是在加速电压为65.0 V时拍摄的,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,实验中测得的Ne原子的第一激发电位为17.4 V,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原子的第一激发态电子组态是2S22P53S1,它有4个精细结构,对应的能量分别为16.62,16.67,16.72,16.85 eV.第二激发态的电子组态是2S22P53P1,它有9个精细结构 ,对应的能量分别为18.38,18．56，18．58，18．61，18．64，18．69，18．70，18．71，18．73，18．97犲犞．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.

图1 Ne原子退激发发出的光

图2 I-U曲线

图3 Ne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.

图4 实测的Ne光谱与Ne原子标准谱的比较

图5 实验中测量的光谱对应的能级跃迁

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.

[1]苏卫锋,白翠琴.弗兰克-赫兹实验教学内容剖析[J].物理实验,2008,28(增):37-38.

[2]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]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.

[责任编辑:郭 伟]

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届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-18

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.