文 献 综 述

研究背景

荣获1925年诺贝尔物理学奖的弗兰克赫兹实验，以及其巧妙的实验设计，验证了前一年丹麦著名物理学家波尔提出的原子结构的量子理论，玻尔深信原子的有核模型是正确的，但也深知卢瑟福的原子模型所面临的困难，认为要解决原子的稳定性问题，必须引入量子论[1]，对原子物理学的发展和量子力学的建立做出了巨大的贡献[2]，夫兰克赫兹实验室大学物理实验中的一个验证类实验，通过测定氩原子等元素第一激发电位（即中肯电位），证明原子能级的存在。实验用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到较高能级，通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子内部量子化能级的存在。同时，也证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的。设初速度为零的电子在电位差为U₀的的加速电场作用下，获得能量eU₀。当具有这种能量的电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量交换。如以E₁为代表氩原子的基态能量、E₂为代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原子吸收从电子传递来的能量恰好为eU₀=E₂-E₁时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态。而且相对应电位差称为第一激发电位（或称为氩的中肯电位）。测定出这个电位差eU₀，就可以根据eU₀=E₂-E₁求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了（其他元素气体的第一激发电位差亦可依此法求得）[3]夫兰克#8212;赫兹实验将看不见的微观量子状态转换成宏观的可测量量显示出来,让学生看到原子中分立能级确实存在,对学生建立新的物理思想与进入新的微观物理世界,具有极其重要的引导作用。[4]

夫兰克#8212;赫兹实验原理如图一所示。在充氩的夫兰克#8212;赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和栅极G之间的加速电压V_GK使电子加速。在板极A和栅极G之间加有减速电压 V_AG，管内电位分布如图二所示，当电子通过KG空间进入GA空间时，如果能量大于eV_AG就能达到板极形成板流。电子在KG空间与氩原子发生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于eV_AG，则电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而减少。实验时使V_GK逐渐增加，仔细观察板极电压的变化我们将观察到如图三所示的I_A～V_GK曲线。[5]

实验时使V_GK逐渐增加，并记录I_A，作出如图3所示的曲线。传统的实验仪有很多的缺点和需要改善的地方在老的实验仪中，需要选用量程，并且实验面板上有很多的按键，V_GK的增加也需要手动按面板上的按键来增加，数据也需要逐个记录，要记录上百个数据，并作图，最后的曲线被很多的因素所影响，如温度对曲线影响、灯丝电压对曲线的影响、反向拒斥电压对曲线的影响[6]，这样实验的误差会比较大，尤其是数据接近激发电位的时候，需要减小数据间隔，多记录几组数据，这样能减少误差，老一代的实验仪，需要等待一段时间，实验仪需要加热，而有时候同学由于没有耐心，而忽略了预热的时间，造成误差[7]。夫兰克 #8212;赫兹管寿命的长短与灯丝电压的大小有最直接的关系, 为了延长夫兰克 #8212;赫兹管的使用寿命,实验室对灯丝电压有一定的限制 。灯丝电压的大小决定阴极发射电子的多少,决定到达阳极的电流大小 ,也是相邻波峰、波谷电流差的决定性因素。[8]而我们新的实验仪是新一代的智能实验仪，V_GK的增加由实验仪内部的单片机控制，并且实验仪采用了液晶触摸屏，和USB输出接口，这样，实验的数据能够动态得显示在液晶屏幕上，我们能够观察到I_A～V_GK曲线的逐步生成，最后的实验数据和实验曲线能通过USB接口拷贝到U盘中，十分方便快捷。

其中液晶触摸屏与实验仪内部的单片机采用串口通讯连接，串行通信是CPU与外界交换信息的一种基本方式。单片机应用于数据采集或工业控制时，往往作为前端机安装在工业现场，远离主机，现场数据采用串行通信方式发往主机并进行处理，以降低通信成本，提高通信可靠性。串行通信是所发送数据的各位按顺序一位一位地发送或接受，并行通信是所发送数据的各位同时发送或者接收。在并行通信中，一个并行数据占多少二进制数位，就需要多少根数据传输线。这种方式的特点是通信速度快，但传输线多，价格较贵，适合近距离传输；而串行通信仅需1或2根数据传输线，故在长距离传送数据时，成本较低。但由于它每次只能传送一位，所以传送速度较慢。[9]