Origin在F-H实验中的应用技巧

1Origin在F-H实验中的应用技巧李强（山东大学物理学院微电子系学号：201000100046）摘要：简单介绍弗兰克-赫兹实验的实验原理、操作步骤，以及不同的数据处理方法。引入本底电流的概念，介绍如何用origin消除本地电流的影响。Origin软件方便实用，不仅能减去繁杂的数据处理步骤，还能减少实验误差。关键词：弗兰克-赫兹实验、本底电流、origin数据处理1引言大学本科生近代物理实验是高校培养学生综合能力的重要基础课程，实验数据处理和数据作图是大学物理实验中的一个重要环节。部分实验数据繁多，处理复杂，经常还需要通过绘图来处理数据，手工绘图误差较大，若能恰当地借助软件的应用，便能事半功倍。同样的实验数据，往往有不同的处理方法，一个好的方法不仅能减少实验的误差，还能减轻实验者不必要的负担，从而使学习者有更多的时间和精力用于思考实验本身的物理意义。Origin是美国Microcal公司推出的数据分析和绘图软件，它主要有两大类功能：数据分析和绘图。数据分析包括数据的排序、调整、计算、统计、频谱变换、曲线拟合等各种完善的数学分析功能。准备好数据后，进行数据分析时,只需选择所要分析的数据,然后再选择响应的菜单命令就可。绘图时，只要选择所需要的模版就行。用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模板；可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件等方便的连接。Origin软件处理数据精度高，使用简单方便。下面会介绍origin软件在弗兰克.赫兹实验中的应用技巧和消除本底电流减小实验误差的巧妙方法。2实验介绍2.1实验背景1913年，丹麦物理学家波尔在卢瑟福原子核式模型的基础上，结合普朗克的量子理论，成功解释了原子的稳定性和原子的现状光谱理论，在波尔原子结构理论发表第二年，弗兰克和赫兹用慢中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，证明了原子发生跃迁是吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的，给波尔的原子理论提供了直接的而且独立于光普研究方法的实验证据。2.2实验原理夫兰克-赫兹实验原理图如图1所示，阴极K，板极A，G1、G2分别为第一、第二栅极。K-G1-G2加正向电压，为电子图1.实验原理图2提供能量。UG1K的作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G2-A加反向电压，形成拒斥电场。电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时动能大于或等于eUG2A，就能到达板极形成板极电流I。当加速电压为UG2K激发电位的整数倍时，电子的全部能量转移给氩原子，此时测量点在I-UG2K曲线的波谷位置，加速电压UG2A继续加大，电子有剩余能量可以到达极板A，电流又开始上升，若eUG2An△E则电子在进入G2-A区域之前可能n次、被氩原子碰撞而损失能量。板极电流I随加速电压UG2K变化曲线就形成n个谷值。相邻谷值之间的电压差△U称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能图2.弗兰克-赫兹管的I-UG2K曲线级差△E=e△U。2.3实验方法用弗兰克-赫兹实验仪，按照说明书正确操作，测出数据，如表1所示，用计算机软件绘制出I-UG2K曲线，并用不同的方法分别处理数据得出结果，比较所得结果，并分析实验条件对实验的影响。U/VI/nAU/VI/nAU/VI/nAU/VI/nAU/VI/nAU/VI/nA1-12022352451.553683583492020.5193634525368.536845530211837405349692885654121.5163843544169.5278676512216394555307028878660232339.544562071358894702428404456.516724588.59981253341405714735689100982635423357.515746689.5102101826.53643235820757490103112427364413593075.57691100122827.53744.51060427679929613312836459615376.58093881433293445.51162597781948215353029461562.562787894.58015.5353122472863637970957916353215483963.565806195.57916.53632.511494864658151968017353395052656381.549183233.51050.5536656824192834155154674682.548表1.氩原子的第一激发电位测量数据表33数据处理3.1逐差法根据表1的数据，打开origin软件，在worksheet中导入数据并选中，使用plot选板中的line工具，绘制I-UG2K曲线，如图3所示。点击工具栏中的“”图标，用鼠标拖到曲线峰处，读出U-I值，记录如表2所示。选择后六个峰值进行逐差运算得出结果。图3.实验I-UG2K曲线峰值1234567VG2K/V16.5227.5739.0351.0363.8076.9990.02I/nA35.9236.9544.8854.0064.9980.90102.98表2.曲线峰值数据表由逐差法计算得氩原子的第一激发电位为12.6V，与公认的13.1V相比，误差为3.8%。3.2消除本底电流激发电位曲线各极小点的值一般不为零，且随着加速电压的增加而上升，这是由于未参与激发原子的电子，二次发射电子的存在，以及少数速度很大的电子使原子电离，形成本底电流。由于这些电子的存在，在激发电位曲线上，屏流极小值出现在比真实激发电位稍低处，使激发电位曲线的吸收峰发生位移。消除本底电流的方法是：做一条连接激发电位曲线各极小点的平滑曲线，求得的而曲线的相差曲线，从相差曲线的缝间距求出第一激发电位。图4.包络曲线在以上曲线中取极小值点，并记录，在column选项中增加两列，一列为X轴，一列为Y轴，添加极小值坐标数据，选中数据表中所有数据，绘制一张有两条曲线的二维图，如图4所示。图4中曲线1为实验曲线，曲线2为包络线。再打开Analysis中的Mathematics，使用simplemath选项，将操作设置为减即可得到曲线1与曲线2的差值曲线3，如图5所示。图5.消除本底电流后的曲线4从消除本底电流的曲线3中获取峰值如表3所示。峰值1234567VG2K/V16.1527.2138.2350.8663.6177.1990.25表3.消除本底的曲线峰值表同样取后六个数据采用逐差运算，得结果为12.8V,误差为2.3%。相比直接使用试验曲线进行数据处理得出的结果，误差明显减小。由于弗兰克-赫兹实验还受灯丝电压、第一栅压、反向拒斥电压的影响等因素的影响，实验误差不可避免，至于实验条件对该实验如何影响、以及在什么样的条件下测得的结果最精确，此处不做过多介绍，如有兴趣可参考相关文献。4结语本文用Origin绘制弗兰克-赫兹实验曲线，并介绍消除本底电流减小实验误差的具体方法。Origin进行数据处理、绘制曲线，操作简单快捷，精度高，适用于学生或实验员对要求不是特别高的物理实验进行数据处理和分析。[参考文献][1]夏海瑞.近代物理实验讲义.济南：山东大学出版社，2011.08[2]褚圣麟.原子物理学.北京：高等教育出版社，2011.11[3]樊玉勤.origin在弗兰克-赫兹实验数据中的应用.重庆：重庆科技学院学报.2011.04[4]周剑平.origin使用教程.西安：西安交通大学出版社.2007.01[5]陈海波.F-H实验测量亚原子的第一激发发电位的研究.茂名：茂名学院学报.2005.08