一种新的夫兰克-赫兹实验数据处理方法

陈恒杰，阳廷义，刘丰奎，刘春兰

（重庆科技学院，重庆 401331）

一种新的夫兰克-赫兹实验数据处理方法

陈恒杰，阳廷义，刘丰奎，刘春兰

（重庆科技学院，重庆 401331）

引入了一种新的夫兰克-赫兹实验数据处理方法-即通过光谱学软件OMNIC来实现自动寻峰。该方法操作简单，即无需编程，也无分峰等复杂过程，另外利用本方法处理十分快速，可获得即时结果，且寻峰过程全程自动数学处理和标记而不受人为因素影响，因此得到的峰位置准确可靠。

夫兰克-赫兹实验；OMNIC；数据处理

夫兰克和赫兹于1914年应用慢电子轰击稀薄气体，结果证明了波尔提出的原子能级存在，因此获得了1925年的诺贝尔物理学奖。目前，该实验被广泛开展于大学物理教学。该实验数据处理的关键是如何快速、准确的找出U-I曲线上波峰/波谷的位置。宋民青等曾使用Excel对其进行了简单讨论［1］；张磊等则利用Origin软件对其结果进行分析［2-5］，但他们均先用Origin画图，再用数据点读取功能来抽取波峰/波谷位置，因为这一过程具有随机性，所以获得的激发电位含有人为误差。金哲等使用Origin在考虑了峰面积的情况下进行多峰拟合，遗憾的是其峰位置仍然人为指定［6］。乐松等还指出由于背底电流复杂而导致Origin多峰拟合可能失败［7］。通常找到曲线上的波峰/波谷有两种方法:直接法和间接法，前者如文献［2-5］所述，从画出的图像上大致找出极值点，但结果不精确；后者则需要多峰拟合或者多项式拟合，Origin软件操作较复杂，还存在文献［7］指出的拟合失败的风险；若用Matlab来编程，众多的数学考虑（实验误差，光滑性等）将使编程变得困难。OMNIC是美国Thermo Nicolet公司推出的一款专业光谱处理软件，其全自动和二、四阶导数辅助寻峰功能能很容易的识别出十分弱的峰甚至肩峰，同时自动标峰功能会一目了然的给出波峰位置，利用乘谱功能还可得到波谷位置；OMNIC强大的数据处理功能保证了其结果的可靠性，使得找到的峰满足数学“最优”且排除了人为误差；即时可视化使其结果获得十分快速；另外其操作十分简单，绝大多数功能可通过点击鼠标完成，无需编程。因此利用OMNIC寻峰变得简单、快速和准确，很容易让没有计算机程序语言基础的大一新生掌握。首次将这款光谱学专业软件拓展到大学物理实验数据处理领域，并通过夫兰克-赫兹实例来演示其操作过程

1　实例分析

表1为通过ZHY-FH-2型智能夫兰克-赫兹实验仪测得的板极电流I随加速电压UG2K变化的实验结果。以上述数据为基础，结合OMNIC操作来演示寻峰的实现过程。首先，将表中电压UG2K和电流I顺序记录到一个文本文件并保存为FH. txt（注意FH.txt不要保存到含有中文的目录下，以免打开时不识别），其中FH.txt文件第一列为电压UG2K，第二列为对应的电流I。接着打开OMNIC软件，选择“文件-打开”出现“查找对话框”定位到FH.txt所在目录并点击该文件（此时文件类型要选择“所有文件”，因为OMNIC默认只显示典型的SPA文件），出现如图1所示的对话框，X单位选择Wavenumbers，Y单位选择Absorbance，OMNIC会直接识别数据并给出所要显示的图像区间，分辨率可选择默认的1，也可选择更高分辨率的值如0.125，这时数据点将由原来的164（159）变为1339（159），其中159是原始数据并未发生变化，但分辨率增大后OMNIC将依据原始数据通过数值插值得到1 339个当前数据点，这样保证了数据点较少时图形的光滑连续性。此时电压UG2K和电流I分别以横纵坐标形式被加载到当前谱图组并以视图形式显示到当前窗口，如图2。

图1　参数选择视图

图2　FH.txt自动生成的夫兰克-赫兹实验结果图

这时我们已清楚地看到了实验结果，但横坐标是从大到小的顺序显示，这符合光谱习惯，由于今天我们只寻找UG2K的峰值，所以并不影响最终的实验结果，如果你不习惯，也可通过选择“显示-显示范围”在出现的对话框中将X轴上的“开始”，“结束”分别设置到0和80得到如图3结果，这里不仅改变了UG2K的大小顺序，顺便也修改了谱图的显示范围（从0.48-79.07到0-80）。

图3　变换横坐标顺序至从小到大后的夫兰克-赫兹实验结果图

接着通过“谱图分析-标峰”，在当前视图上会弹出标峰视图，其中右侧为光谱图和阈值标线，点击阈值标线到任意位置，其上的任何峰都会自动被识别并加以标记。在标峰视图左侧是Y轴灵敏度调节框，其值越大，则一些数值噪声也可能被识别为峰，反之，则一些“胖而宽”的包络面峰可能不被识别，适当调节灵敏度和阈值标线获得如图4所示的标峰情况，此时我们已清楚看到六个波峰所在位置18.8，30.3，41.1，53.4，65.3和75.8 V，至此我们已很快的画出了UG2K-I曲线图并找到了波峰位置，将其简单计算便可获得所研究气体的激发电位。

图4　标峰处理过程视图

仔细观察图4发现在41.1 V处的标峰位置并不理想，这是由于实验误差导致该处附近出现一“双肼”现象，但OMNIC严格按照数学形式进行数据处理，欠考虑了物理意义上的光滑性，为此，我们可以选择“数据处理-自动平滑”，这时整个曲线变得更加光滑，见图5。

图5　平滑前后对比图，（上图为平滑后；下图为平滑前，主要看41.1 V和65.3 V处

通过光滑处理对有些“双峰”现象会得到更加符合物理意义的峰位置，然后再重复标峰过程，得到如图6所示的波峰位置，我们可以看到，光滑后的41.1 V波峰位置更加符合物理意义，其它峰也轻微发生了变化（18.6，30.2，41.5，53.3，65.0 和75.8）。对实际研究而言，计算激发电位经常使用波谷位置，这在OMNIC软件上也很容易做到，选择“数据处理-乘谱图”，在弹出的对话框中将“输入系数”填为“-1”，这时会得到如图7所示的谱图，原始谱图的波峰变为波谷，波谷变为波峰，重复标峰过程会得到如图8所示的原始谱图所有波谷位置（24.0，35.6，47.0，58.7，68.7，也就是当前谱图的波峰位置）。OMNIC实现的自动寻峰过程也可从其它光谱学处理软件（如OPUS）上实现，这为大学物理和科学研究建立了一个有效的桥梁，即快速、简单和准确的解决了实际问题，又让同学们有了接触专业软件的机会，同时也可锻炼学生的自学能力。

表1　研究气体加速电压UG2K与电流I试验数据

图6　平滑后标峰结果

图7　乘谱图（-1因子），波峰波谷翻转后对比图

图8　原始图波谷位置（即乘-1谱图后的波峰位置）标峰结果

2　结 论

介绍了一种新的夫兰克-赫兹实验数据处理方法-利用光谱学专业软件OMNIC来实现自动寻峰，自动标峰。利用该方法寻峰快速、简单和准确，其即时可视化、光滑和乘谱等功能能轻松实现对夫兰克-赫兹实验结果的处理，通过该方法的引入能提高学生的软件应用能力、拓宽学生的知识面，激发学习兴趣，从而提高教学质量。

［1］ 宋民青，马瑶琦，查保媛.EXCEL程序在夫兰克-赫兹实验数据处理中的应用［J］.青海大学学报，2011，29（3）:69-75.

［2］ 金哲.实验曲线拟合及其再现数据处理［J］.延边大学学报.2006，32（4）:254-255.

［3］ 冯学超.Origin对物理实验数据处理重要性的分析［J］.大学物理实验.2013，26（1）:78-80.

［4］ 樊玉勤.Origin在夫兰克_赫兹实验数据处理中的应用［J］.重庆科技学院学报，2011，13（2）:177-179.

［5］ 张磊，徐飞，陈玉林.Origin7.5在夫兰克-赫兹实验数据处理中的应用［J］.实验室研究与探索，2009，28（4）:19-21.［6］ 金哲，朱哲松.基于Origin软件的多峰实验曲线拟合与数据处理［J］.延边大学学报，2008，34（3）: 200-202.

［7］ 乐松.Origin软件在近代物理实验数据处理中的应用［J］.大学物理实验，2011，24（6）:78-80.

A New Processing Method about the Experimental Data of Frank-Hertz

CHEN Heng-jie，YANG Ting-yi，LIU Feng-kui，LIU Chun-lan
（Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331）

In this paper，a new processing method for Frank-Hertz experiment has been introduced.An automatic process for finding peaks has been employed by the professional spectroscopic software OMNIC.This method is simple，needn’t make program and peak fitting operations.In addition，it is rapidly to obtained the immediate results and there remove the artificial factors because OMNIC include the powerful mathematic tools.So the locations of peaks from OMNIC are accurate and reliable，at the same time，which can be marked automatically.

Frank-Hertz experiment；OMNIC；data processing

O4-39

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.030

1007-2934（2015）02-0106-03

2014-11-26

重庆科技学院2013年实验教学及技术研究项目；重庆科技学院2014本科教学教改研究项目（201443）