一种氩原子第二激发电位的测量方法与流程

本发明属于物理学技术领域，具体是原子与分子物理及量子力学技术领域，特别涉及氩原子第二激发电位的测量方法。

背景技术

原子内部能量是量子化的，原子能级的测量是认识原子内部结构的关键。原子状态的改变可以通过吸收(或发射)电磁辐射或与其它粒子发生碰撞而交换能量两种方式来实现。为实现原子从基态e1激发到激发态en，可以通过吸收一定频率ν的光子来实现，为此应有hν＝en-e1，其中h＝6.626176×10^-34(j·s)为普朗克常数。也可以通过与具有一定能量的电子碰撞来实现。若与之碰撞的电子通过加速电压u获得了能量eu，只要满足eu＝en-e1，原子就从基态e1激发到激发态en。若原子吸收由电子传递的能量eu1和eu2后从基态激发到第一激发态和第二激发态时，相应的u1和u2就分别称为原子的第一激发电位和第二激发电位。

目前常见的测量氩原子第一激发电位的四极电子管夫兰克-赫兹实验装置中，电子的加速和碰撞都是在阴极k和第二栅极g2之间同时进行，一旦电子被加速到能量达到氩原子的第一激发能时，多数电子与氩原子发生非弹性碰撞使氩原子从基态激发到第一激态，而电子失去能量，随后电子将再次被加速，再次碰撞而失去能量。因而很难获得高能电子，也就很难观测到氩原子更高的激发电位，进而对于氩原子更高激发电位的测量研究也相对较少。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种能够实现氩原子第二激发电位的一种测量方法，该方法把电子加速和电子与氩原子碰撞分在两个区域进行，在加速区域能够把电子的能量增加到足够高，在碰撞区域实现把氩原子从基态激发到第二激发态。

本发明的目的之二在于提供一种能够实现上述测量方法的测量装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种氩原子第二激发电位的测量方法，由以下步骤组成：

(1)氩原子第一激发电位u1的测量

利用传统夫兰克-赫兹实验装置的四极电子管，在其真空管内充入少量氩原子气体，按照常规测量方法测量出氩原子的第一激发电位u1；

(2)电子加速区域的构成

调整旁热式阴极电子管的阴极k与第一栅极g1之间的距离小于电子在真空管内充入的少量氩原子气体时的平均自由程，使阴极k与第一栅极g1之间区域为电子加速区域；

(3)电子与氩原子碰撞区域的构成

调整旁热式阴极电子管的第一栅极g1与第二栅极g2之间的距离并使第一栅极g1与第二栅极g2通过导线连接后在第一栅极g1与第二栅极g2之间形成等电位区域，使电子与氩原子碰撞；

(4)板极电流ip随加速电压v1变化的ip-v1曲线的测绘

开启灯丝电源e3，使灯丝加热发射电子，电子在加速区内加速，固定板极反向电压v2和灯丝电压v3，调整第一电位器r1，使加速电压v1逐渐增大，监测板极电流ip随加速电压v1增大时的变化，并绘制板极电流ip随加速电压v1的变化曲线ip-v1；

(5)在接触电压和空间电荷存在时氩原子的第一激发电位u1′和第二激发电位u2′的确定

根据步骤(4)得到的ip-v1曲线，记录板极电流ip达到最大值时所对应的加速电压v1，即该电流峰值对应的电位v1为接触电压和空间电荷存在时氩原子的第一激发电位u1′；再记录板极电流ip下降过程中下降幅度突然增大的点对应的电位v1为接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2′；

(6)无接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2与第一激发电位u1的电位差δu的确定

按照下式确定出接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2′与第一激发电位u1′的电位差δu，二者相减即为无接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2与第一激发电位u1的电位差δu，即：

δu＝u2′-u1′＝u2-u1

(7)氩原子第二激发电位u2的确定

根据步骤(1)所测量的氩原子第一激发电位u1和步骤(6)得到的电位差δu，利用u2＝u1+δu，则得到氩原子的第二激发电位u2。

进一步限定，所述步骤(1)精确测量氩原子第一激发电位u1的具体方法可由以下步骤实现：

(1.1)利用传统的四极电子管夫兰克-赫兹实验装置，在其真空管内充入少量氩原子气体；

(1.2)开启灯丝电源e3，使灯丝加热发射电子，调节加速电压v′1到最大值，协同调节板极反向电压v′2、灯丝电压v′3和第一栅压v′4，使最大板极电流i′p稍低于电流表最大刻度值，以保证一次性能测量到所有峰和避免改变电流表量程带来的实验误差；

(1.3)保持板极反向电压v2、灯丝电压v3和第一栅压v′4为恒定值，调节加速电压v′1从零逐渐增大，监测板极电流i′p随加速电压v′1增大时的变化，并绘制板极电流i′p随加速电压v′1的变化曲线i′p-v′1；

(1.4)由相临电流峰值对应的v′1之差的算术平均值精确测量出氩原子的第一激发电位u1。

进一步限定，所述步骤(2)中旁热式电子管的阴极k与第一栅极g1之间的距离为0.1～0.6mm，使其小于电子在真空管内充入的少量氩原子气体的平均自由程。

进一步限定，所述步骤(3)中旁热式电子管中第一栅极g1与第二栅极g2之间的距离为3～6mm。

进一步限定，所述步骤(4)板极电流ip随加速电压v1变化的ip-v1曲线的具体测绘方法为：

(4.1)开启灯丝电源e3，使灯丝加热发射电子，电子在阴极k与第一栅极g1之间区域内加速，通过第三电位器r3调整灯丝电压v3，使最大板极电流ip稍低于电流表最大刻度值，固定灯丝电压v3在该值不变；

(4.2)调整第二电位器r2，在板极p上加上相对于第一栅极g1和第二栅极g2为负的反向电压，使与氩原子发生了非弹性碰撞而失去动能的电子不能达到板极p，固定板极反向电压v2为该值不变；

(4.3)调整第一电位器r1，使加载在阴极k与第一栅极g1之间的加速电压v1逐渐增大，监测板极电流ip随加速电压v1增大时的变化，并绘制板极电流ip随加速电压v1的变化曲线ip～v1。

进一步限定，所述步骤(5)在接触电压和空间电荷存在时氩原子的第一激发电位u1′和第二激发电位u2′的具体确定方法为：

(5.1)根据步骤(4)所得的ip-v1曲线，记录板极电流ip达到最大值时所对应的加速电压v1，即该电流峰值对应的电位v1为接触电压和空间电荷存在时氩原子的第一激发电位u1′；

(5.2)再记录板极电流ip下降过程中下降幅度突然增大的点对应的电位v1为接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2′。

一种氩原子第二激发电位的测量方法所用的旁热式阴极电子管，包括封装在真空管内的灯丝、阴极k、第一栅极g1、第二栅极g2和板极p，所述阴极k为旁热式阴极，所述真空管内封装有少量氩气，所述阴极k与第一栅极g1之间的距离小于灯丝发射的电子在氩气中的平均自由程，形成加速区；第一栅极g1和第二栅极g2通过导线连接且保持同电位，形成碰撞区。

进一步限定，所述阴极k与第一栅极g1之间的距离为0.1～0.6mm，第一栅极g1与第二栅极g2之间的距离为3～6mm，第二栅极g2与板极p之间的距离为0.6～1.6mm。

一种能够实现氩原子第二激发电位的测量方法的氩原子第二激发电位的测量装置，其包括上述的旁热式阴极电子管以及旁热式阴极电子管连接的第一电位器r1、第二电位器r2、第三电位器r3、加速电压表v1、反向电压表v2、灯丝电压表v3以及灵敏电流计。

进一步限定，所述旁热式阴极电子管的灯丝通过第三电位器r3与直流电源e3连接，在灯丝的两端并联连接有灯丝电压表v3，用于检测加载在灯丝上的电压；所述旁热式阴极电子管的第一栅极g1与第二栅极g2通过导线连接在一起并接到第二电位器r2与直流电源e2并联的高电位端，第二电位器r2的活动触头接地并通过灵敏电流计ip与板极p连接，在第二电位器r2的高电位端与灵敏电流计连接端之间并联有反向电压表v2，用于检测板极p相对于第二栅极g2的板极反向电压v2；所述第一电位器r1与直流电源e1并联的高电位端连接到旁热式阴极电子管的第一栅极g1，第一电位器r1与直流电源e1并联的低电位端与第一电位器r1的活动触头连接后接在阴极k上，在第一电位器r1的高电位端与阴极k的连接端之间并联有数字加速电压表v1，用于检测阴极k与第一栅极g1之间的加速电压v1。

本发明的氩原子第二激发电位的测量方法主要是通过把电子加速和电子与氩原子碰撞分在两个区域进行，且将第一栅极g1和第二栅极g2连接在一起始终保持同电位因而不对电子加速，仅使电子与氩原子碰撞，利用板极电流ip随加速电压v1的变化曲线ip～v1，确定出在接触电压和空间电荷存在时氩原子激发过程中对应的第二激发电位u2′与第一激发电位u1′的电位差δu，再利用二者之差消除了接触电压和空间电荷的影响，得到氩原子的第二激发电位u2与第一激发电位u1的电位差δu，最后结合常规方法所测定的氩原子第一激发电位u1，确定出氩原子第二激发电位u2＝u1+δu，与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明实现了氩原子从基态激发到第二激发态的高激发电位的测量，对氩原子高激发电位的研究提供了重要的参考意义。

2、本发明采用旁热式阴极四极电子管，旁热式阴极工作电流小，发射电子能力强，阴极k与第一栅极g1之间的距离小于灯丝发射的电子在氩气中的平均自由程，形成加速区，能够把电子的能量增加到足够高；第一栅极g1和第二栅极g2连接且保持同电位，形成碰撞区；采用配有微电流放大器的灵敏电流计来检测板极电流ip，微电流放大器不仅提高了信号电流而且有很强的抗干扰能力，此外采用精确到小数点后两位(或百分位)的数字电压表测量电子的加速电压v1，提高了测量精度，避免了指针电压表的读数误差。

3、本发明测量设备相对简单，无需高成本投入，而且测量结果精确可靠。

附图说明

图1是测量氩原子第一激发电位u1的原理图。

图2是测量氩原子第二激发电位u2的原理图。

图3是板极反向电压v′2＝-5(v)，灯丝电压v′3＝2.5(v)，第一栅压v′4＝1.8(v)情况下测量氩原子第一激发电位u1时的板极电流i′p随加速电压v′1的变化曲线。

图4是板极反向电压v2＝-2(v)和灯丝电压v3＝4(v)情况下测量氩原子第二激发电位u2时的板极电流ip随加速电压v1的变化曲线。

图5是图4中第一激发电位u1附近的精细的板极电流ip随加速电压v1的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述：

图1为传统的测量氩原子第一激发电位u1的四极电子管夫兰克-赫兹实验装置原理图。g为充有微量氩气并安装有四个电极(阴极k、第一栅极g1、第二栅极g2和板极p)的玻璃容器，称为四极电子管。e1、e2、e3和e4为直流电源；r1、r2、r3和r4为电位器；v1、v2、v3和v4为直流电压表；ip为灵敏电流计。

图2为本发明所提供的氩原子第二激发电位的测量装置，主要包括第一电位器r1、第二电位器r2、第三电位器r3、数字加速电压表v1、板极反向电压表v2、灯丝电压表v3、配有微电流放大器的灵敏电流计ip以及与前述元器件连接的旁热式阴极电子管。其中，旁热式阴极电子管包括封装有氩气的真空管，在真空管内依次设置有灯丝、阴极k、第一栅极g1、第二栅极g2以及板极p，灯丝通过第三电位器r3与直流电源e3连接，利用灯丝加热阴极k而发射电子，在灯丝的两端并联连接有灯丝电压表v3，用于检测加载在灯丝上的电压。第一栅极g1与第二栅极g2通过导线连接在一起并接到第二电位器r2与直流电源e2并联的高电位端，第二电位器r2的活动触头接地并通过灵敏电流计ip与板极p连接，在第二电位器r2的高电位端与灵敏电流计连接端之间并联有反向电压表v2，用于检测板极p相对于第二栅极g2的板极反向电压v2。第一电位器r1与直流电源e1并联的高电位端连接到第一栅极g1，低电位端与活动触头连接后接在阴极k上，在第一电位器r1的高电位端与阴极k的连接端之间并联有数字加速电压表v1，用于检测阴极k与第一栅极g1之间的加速电压v1。

需要进一步说明，上述第一电位器r1、第二电位器r2、第三电位器r3均采用精密可调电位器，以提高测量精度。上述的阴极k采用旁热式阴极，以提高发射电子的能力。

需要进一步说明，上述的阴极k与第一栅极g1之间的距离为0.1～0.6mm，小于灯丝发射的电子在氩气中的平均自由程，电子与氩原子碰撞的机会很小，所以在k-g1间才有可能把电子能量加高，因此，阴极k与第一栅极g1之间为电子加速区域。

需要进一步说明，上述的第一栅极g1和第二栅极g2用导线连接且保持同电位，不对电子加速，仅使电子与氩原子碰撞。因此，第一栅极g1和第二栅极g2之间的距离为3～6mm的较大区域内为高能电子与氩原子的碰撞区域。这样，就把用于电子加速的加速区和电子与氩原子碰撞的碰撞区分在两个区域进行，电子加速放在k-g1之间，k-g1之间距离小于电子在氩气中的平均自由程，电子与氩原子碰撞的机会很小，所以在k-g1间有可能把电子能量加高，之后具有高能量的电子在较大的g1-g2区域与氩原子碰撞，就有可能把氩原子从基态激发到第二激发态。

利用上述氩原子第二激发电位的测量装置可实现本发明的氩原子第二激发电位的测量：

测量前，用第三电位器r3来调节灯丝电压v3，使阴极k发射电子达到合适的板极电流ip，然后固定灯丝电压v3不变。调节第二电位器r2，在板极p上加载相对于第一栅极g1和第二栅极g2为负的合适的反向电压v2，使那些与氩原子发生了非弹性碰撞而失去动能的电子不能达到板极p。板极反向电压v2和灯丝电压v3对板流ip的影响较大。灯丝电压v3增大时则板流ip增大，但板极反向电压v2增大时则板流ip减小。

具体方法如下：

(1)精确测量氩原子第一激发电位u1：

(1.1)利用传统的四极电子管夫兰克-赫兹实验装置，在其真空管内充入少量氩原子气体。

(1.2)开启灯丝电源e3，使灯丝加热发射电子。调节加速电压v′1到最大值，协同调节板极反向电压v′2、灯丝电压v′3和第一栅压v′4，使最大板极电流i′p稍低于电流表最大刻度值，以保证一次性能测量到所有峰和避免改变电流表量程带来的实验误差；

(1.3)保持板极反向电压v2、灯丝电压v3和第一栅压v′4为恒定值，调节加速电压v′1从零逐渐增大，监测板极电流i′p随加速电压v′1增大时的变化，并绘制板极电流i′p随加速电压v′1的变化曲线i′p～v′1；

(1.4)由相临电流峰值对应的v′1之差的算术平均值精确测量出氩原子的第一激发电位u1。

(2)电子加速区域的构成：

调整四极电子管的阴极k与第一栅极g1之间的距离为0.1～0.6mm，使其小于电子在真空管内充入的少量氩原子气体的平均自由程，保证在阴极k与第一栅极g1之间区域，电子不与氩原子碰撞，仅使电子加速，即阴极k与第一栅极g1之间区域为电子加速区域。

(3)电子与氩原子碰撞区域的构成：

调整四极电子管的第一栅极g1与第二栅极g2之间的距离为3～6mm，用导线把第一栅极g1与第二栅极g2连接，使第一栅极g1与第二栅极g2之间区域为等电位区域；保证在第一栅极g1与第二栅极g2之间区域，不对电子加速，仅使电子与氩原子碰撞。即第一栅极g1与第二栅极g2之间区域为电子与氩原子的碰撞区域。

(4)板极电流ip随加速电压v1变化的ip-v1曲线的测绘：

(4.1)开启灯丝电源e3，使灯丝加热发射电子，电子在阴极k与第一栅极g1之间区域内加速，通过第三电位器r3调整灯丝电压v3，使最大板极电流ip稍低于电流表最大刻度值，固定灯丝电压v3在该值不变；

(4.2)调整第二电位器r2，在板极p上加上相对于第一栅极g1和第二栅极g2为负的反向电压，使与氩原子发生了非弹性碰撞而失去动能的电子不能达到板极p，固定板极反向电压v2为该值不变；

(4.3)调整第一电位器r1，使加载在阴极k与第一栅极g1之间的加速电压v1逐渐增大，监测板极电流ip随加速电压v1增大时的变化，并绘制板极电流ip随加速电压v1的变化曲线ip～v1。

(5)在接触电压和空间电荷存在时氩原子的第一激发电位u1′和第二激发电位u2′的确定：

(5.1)根据步骤(4)所得的ip-v1曲线，记录板极电流ip达到最大值时所对应的加速电压v1，即该电流峰值对应的电位v1为接触电压和空间电荷存在时氩原子的第一激发电位u1′；

(5.2)再记录板极电流ip下降过程中下降幅度突然增大的点对应的电位v1为接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2′。

(6)无接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2与第一激发电位u1的电位差δu的确定：

(6.1)根据步骤(5)所得到的接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2′与第一激发电位u1′的电位差δu；

(6.2)二者相减后即为无接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2与第一激发电位u1的电位差δu；按照下式确定出

δu＝u2′-u1′＝u2-u1

(7)氩原子第二激发电位u2的确定：

(7.1)根据步骤(1)所测量的氩原子第一激发电位u1和步骤(6)所得到的电位差δu，利用u2＝u1+δu，来确定氩原子的第二激发电位u2。

实施例1

以板极反向电压v′2＝-5(v)，灯丝电压v′3＝2.5(v)，第一栅压v′4＝1.8(v)情况下测量氩原子第一激发电位u1，和以板极反向电压v2＝-2(v)和灯丝电压v3＝4(v)情况下测量氩原子第二激发电位u2为例说明。

先采用传统的四极电子管夫兰克-赫兹实验装置(见图1)测量氩原子第一激发电位u1，图3为板极反向电压v′2＝-5(v)，灯丝电压v′3＝2.5(v)，第一栅压v′4＝1.8(v)情况下测量氩原子第一激发电位u1时的板极电流i′p随加速电压v′1的变化曲线，即i′p～v′1曲线。从图3可以看出，起初当加速电压v′1从0(v)增加到5(v)时的板极电流ip′保持为0(a)的原因是由于板极反向电压v′2＝-5(v)以及仪器的接触电压的影响。从阴极k发射的电子运动到第二栅极g2时的动能随着阴极k与第二栅极g2之间的加速电压v′1的增加而增加。开始时，电子与氩原子作弹性碰撞，不损失能量。但是当加速电压v′1逐渐增大，大到使电子到达第二栅极g2时所获得的动能刚好等于氩原子的第一激发电位u1时，电子与氩原子发生非弹性碰撞使氩原子从基态激发到第一激发态，而失去动能的电子不能克服反向电压v′2到达板极p，这时灵敏电流计指示的板流i′p变小。当加速电压v′1继续不继增大，使电子被加速而且与氩原子发生一次非弹性碰撞后剩余的能量能够克服反向电压v′2到达板极p。这时通过灵敏电流计的板流i′p随着加速电压v′1的增加而继续增加，直到电子获得的动能能够使电子与另一个氩原子发生第二次非弹性碰撞时，电子再一次失去它们的能量而不能克服反向电压v′2达到板极p，这时灵敏电流指示的板流i′p又变小。

因此，得到板极电流i′p随加速电压v′1的增加而振荡上升的曲线，本实施例取前面7个i′p最大值对应的相邻两个加速电压v′1之差的平均值，确定出氩原子第一激发电位u1为11.83(v)。

图4为采用本发明的氩原子第二激发电位的测量装置(见图2)并在板极反向电压v2＝-2(v)和灯丝电压v3＝4(v)情况下测量氩原子第二激发电位u2时的板极电流ip随加速电压v1的变化曲线。

由图4可以看出，测量第二激发电位时，由于电子的能量可以积聚到较大数值后发生碰撞，不会像测量第一激发电位时一样出现周期性的变化。加速电压v1从零慢慢增大，电子的能量也逐渐变大，当电子的能量达到足以使氩原子激发到第一激发态时，电子与氩原子发生非弹性碰撞，板极电流ip开始下降；加速电压v1继续增大，电子能量继续加大，当电子能量达到足以使氩原子激发到第二激发态时，电子又与氩原子发生非弹性碰撞。板极电流ip再次下降。图中在电子的能量达到激发氩原子到第一激发态前，板极电流ip有一段缓慢下降，这是由于管中混有少量杂质气体原子，这些杂质气体原子被激发，使得电流有缓慢下降。

图5为图4中第一激发电位u1附近的精细的板极电流ip随加速电压v1的变化曲线。

从图5中可以看出，当加速电压v1为15(v)时板极电流ip达到最大值，这个电流峰值对应的电位是氩原子的第一激发电位u1′。之后电流缓慢下降，在某一点下降幅度骤然加大。因为电子的能量足以使氩原子从基态激发到第二激发态，于是电子与氩原子发生非弹性碰撞，失去能量，使电流下降加快。这个电流下降幅度突然增大的点对应的电位应为氩原子的第二激发电位u2′。但是不能把这个点对应的加速电压v1直接作为氩原子的第二激发电位u2，此时测得的加速电压v1并不是真正加在电子上的电压，它没有消除接触电压和空间电荷对发射电子的影响。但测得的第二激发电位u2′与第一激发电位u1′的差值即为无接触电压和空间电荷存在时氩原子的第二激发电位u2与第一激发电位u1的电位差δu，即δu＝15.3-15.0＝0.3(v)。

根据前面测得的氩原子的第一激发电位11.83(v)以及这里测得的第二激发电位与第一激发电位的差值0.3(v)，可求得氩原子的第二激发电位u2为11.83+0.3＝12.13(v)。