فرانک هرتز (دیجیتال) 007600

برای دیدن تصویر بزرگتر کلیک کنید
نمایش بزرگتر تصویر





               فرانك هرتز ديجيتال همراه با اسيلوسكوپ 20 مگاهرتز

ابزار آزمایشگاهی فرانک هرتز FD-FH-I

1-    کلیات:

این وسیله برای انجام آزمایش بمباران کردن اتمها با الکترون های کم انرژی که در سال 1914 توسط فرانک و هرتز انجام شده، مورد استفاده قرار می گیرد. بوسیله ی این آزمایش دانش آموزان به این مفهوم پی برده که انرژی درون اتم ها کوانتیزه می شود. آنها همچنین می توانند ایده ها و روش های آزمایش فرانک و هرتز را در تحقیق بر برخورد الکترون ها با اتم ها بیا موزند.

این وسیله، یک دستگاه ارگانیک آزمایشگاهی با طراحی فشرده، پنل چشمی و دارای چندین کاربرد می باشد. کار کردن با آن آسان بوده و برای دانشگاه ها و مراکز آموزشی که آزمایش های فیزیک معمولی و مدرن را ارائه می دهند مناسب می باشد.

2-   اطلاعات فنی:

1-     عدد نقطه اوج موج: مساوی و یا بزرگتر از 5

2-     بازه ی اندازه گیری جریان: 0.1 نانوآمپر تا 10 میکروآمپر

3-     ولتاژ فیلامنت DC1-5V قابل تنظیم بطور پشت سر هم

4-     ولتاژ شتاب افزایش سرعت: DC0-15V قابل تنظیم بطور پشت سر هم

3-  ساختار ابزار:

پنل قاب اصلی دستگاه بصورت زیر می باشد:

1-     Ip   نمایش میزان اندازه گیری ( میزان اندازه گیری X 2 مساوی میزان واقعی Ip می باشد.)

2-     Ip کلید انتخاب محدوده ی آمپلی فایر جریان میکرو که به 1μA ، 100nA ، 10nA ، 1nA تقسیم شده است.

3-     درجه ی دیجیتال ولتاژ (مربوط به 8 )، می تواند VF ، VG1 ، VP ، VG2 را بترتیب نمایش دهد. در میان آنها اندازه ی VG2 مساوی اندازه ی نشان داده شده در درجه ی دیجیتال X 10 ولت می باشد.

4-     دستگیره ی تنظیم ولتاژ VG2

5-     دستگیره ی تنظیم ولتاژ VP

6-      دستگیره ی تنظیم ولتاژ VG1

7-     دستگیره ی تنظیم ولتاژ  VF

8-     کلید انتخاب دریچه ی نمایش ولتاژ، بترتیب می توانید بین VF ، VG1 ، VP ، VG2 انتخاب کنید.

9-     Ip پورت خروجی ترمینال، به انتهای Y اسیلوسکوپ، انتهای Y وسیله ی ضبط X-Y و یا انتهای ورودی جریان الکتریکی واسطه ی کامپیوتری متصل می شود.

10- VG2 کلید انتخاب سرعت ارسال، Fast برای اسیلوسکوپ بوده تا منحنی VG2 ~ Ip دیده شود و یا برای اتصال به کامپیوتر، Slow برای ضبط کننده ی X-Y است.

11-   VG2کلید انتخاب راه ارسال، Automatic برای اسیلوسکوپ، وسیله ی ضبط X-Y و کامپیوتر و Manual برای آزمایش کردن و ضبط اطلاعات بصورت دستی می باشد.

12- VG2 پورت خروجی ترمینال، به انتهای X اسیلوسکوپ، انتهای X وسیله ی ضبط X-Y و یا انتهای ورودی جریان الکتریکی واسطه ی کامپیوتری متصل می شود.

13- کلید

4-   محتویات آزمایش:

1-     این آزمایش منحنی VG2 ~ Ip   لوله ی آزمایش فرانک هرتز را اندازه گیری کرده، وضعیت کوانتیزاسیون انرژی اتم را تحت نظر داشته و اولین پتانسیل برانگیختگی اتم در لوله ی پر شده از آرگون را از همین طریق بدست می آورد.

2-     ولتاژ فیلامنت را افزایش و یا کاهش داده، تغییرات در منحنی VG2 ~ Ip   را در نظر گرفته و وضعیت اولین و آخرین پیک را ثبت کرده و اثر روی منحنی ولتاژ فیلامنت را استنباط می کند.

5-   اصول آزمایش:

بر اساس تئوری بور، اتم تنها می تواند در برخی سطوح باشد. هر سطح دارای میزان خاصی از انرژی بوده و مقدار هر کدام مجزا می باشد. اتم ها فوتون جذب و یا پرتاب می کنند، که این فرکانس را در حال گذار از سطوح مختلف انرژی اثبات می کند. وقتی اتم با الکترونی با یک انرژی خاص برخورد می کند، اتم می تواند به سطح پر انرژی از سطح کم انرژی حرکت کند (تحریک). چنانچه این گذار بین سطح پایه و اولین سطح برانگیخته باشد، بنابراین:

eV1= ½ mev2= E1-E0

انرژی جنبشی که الکترون در میدان الکتریکی می گیرد در طی برخورد با اتم داده شده، و اتم به اولین سطح برانگیختگی از سطح پایه منتقل می شود. V1 اولین پتانسیل برانگیختگی اتم نامیده می شود.

لوله های برخورد که در آزمایش فرانک هرتز استفاده می شوند معمولاً با جیوه پر شده اند. لوله های پر شده از جیوه بایستی در کوره حرارت داده شده تا فشار بخار جیوه تغییر کند. علاوه بر لوله های پر شده با جیوه، لوله هایی که با گازهای بی اثر مانند نئون آرگون و غیره پر شده اند نیز اغلب مورد استفاده قرار می گیرند. و از آنجاییکه دما اثر اندکی بر فشار اتمسفر دارد، این لوله های برخورد می توانند برای آزمایش در دمای نرمال استفاده شوند.

Vp ولتاژ گرمادهی فیلامنت ، VG1 ولتاژ کوچک مثبت، VG2 ولتاژ شتاب افزایش سرعت و Vp ولتاژ کاهش سرعت است.

الکترون که از کاتد به بیرون فرستاده شده، بوسیله ی میدان الکتریکی به سمت آند شتاب میگیرد. بنابراین تا زمانی که انرژی الکتریکی بتواند بر Vp میدان الکتریکی متعادل غلبه کند، می تواند از شبکه ی G2 عبور کرده به تخته ی P رسیده و جریان Ip را ایجاد کند. از آنجاییکه لوله با اتمهای گاز پر شده است، الکترون در مسیر خود با اتمها برخورد می کند. اگر انرژی الکتریکی از اولین انرژی برانگیختگیeV1 کوچکتر باشد، برخورد بین آنها الاستیک است. برطبق اندازه حرکت سیستماتیک و اصل بقای انرژی جنبشی، ساده است که نتیجه بگیریم الکترون انرژی اندکی از دست داده و به قطب مثبت می رسد. چنانچه انرژی الکترون به eV1 رسیده یا از آن بیشتر شود، الکترون و اتم برخورد غیرالاستیک خواهند داشت. الکترون انرژی eV1  را به گاز اتمی منتقل می کند. اگر برخورد غیرالاستیک در نزدیکی G2 رخ دهد، الکترونی که انرژی از دست داده است نمی تواند بر میدان بازدارنده ی Vp غلبه کرده تا به صفحه ی قطبی برسد. همانند این، وقتی VG2 از صفر بیشتر می شود، جریان در صفحه ی قطبی ظاهر شده و افزایش می یابد. اگر الکترونی که به شبکه ی G2 می رسد، انرژی مساوی و یا بیشتر از eV1 بدست آورد، برخورد غیرالاستیک رخ داده و اولین نزول درIp ظاهر می شود. با افزایش VG2 ،محلی که برخورد الکترون واتم رخ می دهد به کاتد نزدیکتر می شود. الکترونی که در طی برخورد انرژی از دست داده است، وقتی به آند نزدیک می شود شتاب میگیرد و شروع به داشتن انرژی کافی برای غلبه بر ولتاژکاهش سرعت Vp کرده و به آند P می رسد. همانطور که VG2 افزایش می یابد، Ip نیز شروع به افزایش می کند. چنانچه افزایش VG2 انرژی اتمی را که برخورد غیرالاستیک داشته است فراهم کند، و دوباره به eV1 برسد، برخورد غیرالاستیک اتم و الکترون دوباره رخ خواهد داد و کاهش Ip دوباره اتفاق می افتد. وقتی VG2 بالاست، الکترون به دفعات زیاد بطور غیرالاستیک با اتم برخورد کرده و به سمت آند گرایش پیدا می کند. هر زمان محل آخرین برخورد غیرالاستیک که در اثر VG2 ایجاد شده در نزدیکی شبکه ی G2 باشد، منحنی Ip~ VG2  نزول پیدا می کند. همانطور که VG2 بیشتر می شود، برخوردهای مکرر روی Ip مانند آنچه منحنی رسم شده با اندازه گیری اطلاعات آزمایشی نشان می دهد، ظاهر می شوند.

حداکثر وحداقل منحنی دارای نظم واضحی می باشد که این در نتیجه ی سطح انرژی کوانتیزاسیون و انرژی که بارها و بارها جذب می شود ، می باشد. این همچنین بعلت فراوانی نمونه های اتم با سطح انرژی کوانتیزه است. برطبق قانون آن، تفاوت پتانسیل بین هر ماکزیمم مینیمم پشت سر هم، بعنوان اولین پتانسیل برانگیختگی نامیده می شود.

6-   فرایند آزمایش:

1-     دستگاه آزمایشگاهی را وصل کنید، شرایط آزمایشگاهی مناسب را انتخاب کنید، مثلاً Vp ~ 2V ، VG1 ~ 1V ، Vp ~ 8V ، VG2 را دستی عوض کنید و بطور همزمان تغییرات Ip و VG2 را در میکروگالوانومتر ببینید. اگر با افزایش VG2 ، جریان با شیب خیلی زیاد افزایش یابد، این بدین معناست که لوله ی فرانک هرتز شکسته است، در این زمان باید سریعاً VG2  کاهش یابد. اگر ولتاژ بالاتر از این حد مورد انتظار است، فیلامنت کاهنده ولتاژ می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

2-     شرایط آزمایش را طوری تنظیم کنید که بیشتر از 5 پیک در میکروگالوانومتر بوجود آید و پیک ها و قله های واضحی بدست آید.

3-     محل مناسبی برای آزمایش انتخاب کنید، مقادیر Ip  و VG2 را جداگانه از خروجی درجه ی دیجیتال خوانده، منحنی Ip~ VG2  را بدست آورده و به رابطه ی بین مقدار نمایش داده و مقدار واقعی توجه کنید.

مثال: خروجی درجه ی Ip   مقدار 23/3 را نمایش داده، رنج جریان 10نانوآمپر را انتخاب کرده، بنابراین مقدار واقعی جریان Ip 3/32 نانوآمپر خواهد بود.

خروجی درجه ی VG2 مقدار 35/6 را نشان می دهد، مقدار واقعی 5/63 ولت است.

4-     منحنی Ip~ VG2   را بررسی کرده و اولین پتانسیل برانگیختگی آرگون را بدست آورید.

7-  اطلاعات آزمایش:

مقادیر اندازه گیری شده که در جدول زیر نمایش داده شده اند:

گراف منحنی مربوطه Ip~ VG2   به شکل زیر خواهد بود:

اولین پتانسیل برانگیختگی آرگون از طریق گراف رسم شده تقریباً 25/12ولت می باشد.

8-  موارد احتیاط:

1-     وسیله باید بعد از اینکه بدرستی چک شده به برق اتصال یابد، همه ی مقاومت های قابل تنظیم را قبل از خاموش و روشن کردن دستگاه برخلاف عقربه ی ساعت به وضعیت پایه بچرخانید.

2-     ولتاژ فیلامنت VF نباید خیلی بالا باشد. بطور کلی حدود 2 ولت است، اگر جریان کم است آن را به میزان مناسب افزایش دهید.

3-     لوله ی فرانک هرتز را از سوراخ شدن محافظت کنید(جریان با شیب خیلی زیاد بالا می رود)، وقتی لوله سوراخ شده است VG2 را بلافاصله کم کرده تا لوله فرانک هرتز بطور کامل خراب نشود.

4-     لوله ی فرانک هرتز از شیشه ساخته شده و باید بخوبی محافظت شود.

5-     وقتی آزمایش تمام شد، همه ی مقاومت های قابل تنظیم را برخلاف جهت ساعت به وضعیت مینیمم بچرخانید.