弗兰克-赫兹实验(戴)(中国科学技术大学大物实验)
弗兰克-赫兹实验
实验目的：
本实验的目的是熟悉实验装置，掌握实验条件，学会观察测量汞的激发电位和电离电位。学会对实验曲线进行适当的数据处理，以消除一些因素的不良影响。
实验原理：
1、电子和气态Hf 原子的碰撞
若与Hg 原子碰撞的电子是在电势差V 的加速下，速度从零增加到V ，则当电子的能量满足
22
1
mV eV E E E n m ==-=?
时，电子将全部能量交换给原子。由于n m E E -具有确定的值，对应的V 就应该有确定的大小。当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的V 称为原子的第一激发电位。
2、实验装置
四极F-H 管由灯丝F ，阴极K ，两个栅极G 1、G 2和屏极A 构成。
由F 加热K ，改变F 的电压可以控制K 发射电子的强度。在G 1和K 之间加有一个小正电压V G1K ，作成的负电位的影响。在G 2和A 之间加一个小的遏制负电压V G2A ，使与原子发生了非弹性碰撞的电子不能到达屏极。G 1和G 2间距离较大，为电子与气体原子提供较大的碰撞空间从而保证足够高的碰撞概率。
当F-H 管内没有充Hg 时，V G2K 与I P 满足
)2
3
e x p (2K G P V C I =
当Hg 原子密度较大时，Hg 向高激发态跃迁的概率较小，但当Hg 原子密度较小时，电子的平均自由程增大，有更多的机会积蓄更高的能量，于是对应于高激发态的电位，I P 会有相应的峰，当电子能量大于10.4eV 时，可以使汞原子电离，出现电离峰。
实验内容：
1、Hg ：
测汞的第一激发电位（测I P -V G2K 曲线，由曲线确定第一激发电位），测6~8个峰。测两条曲线，V G2K 上升测一条，V G2K 下降测一条，分别由峰间距求汞的第一激发电位。
电路如左图
2、Ar
用上述方法测氩的第一激发电位。 电路如右图
实验数据：
Ar（up）：
V G2（×10V）I P（×10nA）V G2（×10V）I P（×10nA）V G2（×10V）I P（×10nA）0.00 0.19 3.75 2.04 7.46 5.67
0.10 0.21 3.80 2.23 7.50 5.65
0.18 0.22 3.85 2.45 7.55 5.54
0.20 0.22 3.90 2.60 7.60 5.32
0.27 0.22 3.96 2.67 7.65 4.99
0.31 0.23 4.00 2.63 7.71 4.54
0.34 0.23 4.06 2.52 7.76 3.95
0.41 0.23 4.09 2.44 7.80 3.38
0.45 0.23 4.11 2.35 7.86 2.80
0.50 0.23 4.16 2.04 7.91 2.32
0.55 0.24 4.20 1.83 7.95 1.95
0.60 0.24 4.24 1.56 8.00 1.73
0.67 0.24 4.31 1.11 8.05 1.75
0.70 0.24 4.35 0.87 8.10 1.92
0.74 0.24 4.40 0.59 8.15 2.33
0.79 0.24 4.44 0.47 8.21 2.75
0.86 0.24 4.50 0.44 8.26 3.20
0.90 0.24 4.56 0.60 8.30 3.65
0.96 0.25 4.60 0.82 8.36 4.20
1.00 0.25 4.66 1.22 8.40 4.65
1.05 0.26 4.71 1.65 8.45 5.09
1.10 0.27 4.76
2.01 8.51 5.60
1.16 0.30 4.81
2.39 8.55 5.87
1.20 0.32 4.85
2.70 8.60 6.19
1.24 0.36 4.91 3.11 8.65 6.45
1.30 0.42 4.96 3.34 8.70 6.56
1.35 0.47 5.01 3.58 8.76 6.58
1.41 0.52 5.05 3.66 8.81 6.50
1.45 0.55 5.10 3.72 8.85 6.30
1.51 0.62 5.15 3.68 8.91 6.03
1.56 0.65 5.20 3.49 8.96 5.53
1.60 0.68 5.26 3.17 9.01 5.12
1.65 0.70 5.30
2.84 9.07 4.63
1.70 0.72 5.35
2.47 9.11 4.11
1.75 0.71 5.40 1.89 9.15 3.77
1.80 0.72 5.45 1.42 9.20 3.40
1.85 0.74 5.50 1.01
1.91 0.74 5.55 0.67
1.96 0.74 5.60 0.46
2.00 0.74 5.65 0.75
2.05 0.73 5.70 1.03
2.11 0.69 5.75 1.53
2.15 0.67 5.81 1.96
2.21 0.61 5.85 2.50
2.25 0.59 5.90 2.86
2.30 0.57 6.01
3.42
2.35 0.58 6.05
3.78
2.40 0.64 6.10 4.17
2.45 0.75 6.14 4.40
2.50 0.89 6.20 4.62
2.55 1.02 6.25 4.71
2.61 1.23 6.30 4.70
2.75 1.50 6.46
3.89
2.80 1.56 6.50
3.52
2.85 1.60 6.55 2.95
2.91 1.59 6.60 2.41
2.95 1.54 6.65 1.83
3.00 1.48 6.70 1.30
3.06 1.37 6.75 0.94
3.11 1.25 6.80 0.86
3.15 1.17 6.86 1.02
3.21 0.98 6.90 1.27
3.25 0.86 6.95 1.65
3.30 0.70 7.01 2.20
3.35 0.60 7.05 2.69
3.40 0.56 7.11 3.25
3.46 0.64 7.15 3.71
3.50 0.80 7.20
4.36
3.55 1.03 7.25
4.46
3.60 1.32 7.30 5.02
3.65 1.58 7.35 5.21
3.70 1.94 7.40 5.54
Ar（down）：
V G2（×10V）I P（×10nA）V G2（×10V）I P（×10nA）V G2（×10V）I P（×10nA）9.20 3.48 5.70 0.70 2.15 0.87
9.15 3.89 5.65 0.56 2.10 0.91
9.10 4.44 5.60 0.60 2.05 0.94
9.05 4.98 5.55 0.85 2.00 0.95
9.00 5.54 5.50 1.22 1.95 0.95
8.95 5.97 5.45 1.68 1.90 0.94
8.90 6.33 5.40 2.27 1.85 0.90
8.85 6.58 5.35 2.92 1.80 0.87
8.81 6.69 5.30 3.45 1.75 0.82
8.76 6.66 5.25 3.79 1.71 0.78
8.70 6.56 5.20 4.01 1.65 0.71
8.65 6.34 5.15 4.10 1.60 0.65
8.60 6.05 5.10 3.93 1.55 0.59
8.55 5.62 5.05 3.74 1.50 0.55
8.50 5.21 5.00 3.49 1.45 0.49
8.45 4.65 4.95 3.11 1.40 0.45
8.40 4.11 4.90 2.74 1.35 0.42
8.35 3.57 4.85 2.35 1.30 0.39
8.30 3.18 4.80 1.91 1.25 0.37
8.26 2.82 4.74 1.42 1.20 0.36
8.20 2.31 4.70 1.16 1.15 0.36
8.15 2.07 4.65 0.90 1.10 0.36
8.10 1.91 4.60 0.65 1.05 0.36
8.05 1.83 4.54 0.52 1.00 0.36
8.01 1.90 4.50 0.50 0.95 0.35
7.96 2.15 4.45 0.59 0.90 0.35
7.90 2.71 4.40 0.80 0.85 0.36
7.85 3.20 4.35 1.11 0.80 0.35
7.80 3.98 4.30 1.56 0.75 0.35
7.75 4.59 4.25 1.97 0.70 0.36
7.70 5.00 4.20 2.49 0.65 0.36
7.64 5.61 4.15 2.72 0.60 0.36
7.60 5.85 4.10 2.93 0.55 0.36
7.55 5.91 4.05 3.08 0.50 0.36
7.41 5.52 3.90 2.66 0.40 0.36
7.35 5.12 3.85 2.45 0.35 0.36
7.30 4.67 3.80 2.15 0.30 0.36
7.24 4.01 3.75 1.89 0.25 0.36
7.20 3.75 3.70 1.59 0.20 0.36
7.15 3.10 3.65 1.30 0.15 0.36
7.11 2.65 3.60 1.03 0.10 0.36
7.06 2.26 3.55 0.83 0.05 0.36
7.00 1.63 3.50 0.70 0.00 0.36
6.95 1.35 3.45 0.65
6.91 1.08 3.40 0.66
6.84 0.90 3.35 0.76
6.80 0.96 3.30 0.93
6.75 1.20 3.25 1.12
6.70 1.62 3.20 1.33
6.65 2.16 3.15 1.51
6.60 2.73 3.10 1.75
6.55 3.38 3.05 1.87
6.49 4.14 3.00 1.91
6.45 4.73 2.95 1.96
6.40 4.96 2.90 1.90
6.35 5.06 2.85 1.83
6.30 5.04 2.80 1.74
6.25 4.91 2.75 1.58
6.21 4.69 2.70 1.44
6.15 4.30 2.65 1.26
6.10 3.85 2.60 1.07
6.05 3.36 2.55 0.86
6.00 2.87 2.50 0.83
5.95 2.40 2.45 0.73
5.90 1.84 2.35 0.68
5.85 1.49 2.30 0.71
5.80 1.11 2.25 0.76
5.75 0.82 2.20 0.81
Hg(up)
V G2（×1V) I P（×10-8μA）V G2（×1V) I P（×10-8μA）V G2（×1V) I P（×10-8μA）V G2（×1V) I P（×10-8μA）0.1 0.1 12.0 2.9 24.0 10.9 37.0 26.2
0.5 0.1 12.5 2.1 24.5 12.3 37.5 23.7
1.0 0.1 13.0 3.0 25.0 16.3 38.0 19.8
1.5 0.2 13.5 4.4 25.5 19.0 38.5 16.7
2.0 0.3 14.0 6.0 26.0 19.9 39.0 16.0
2.5 0.3 14.5 7.4 26.5 17.8 39.5 17.0
3.0 0.3 15.0 8.8 27.0 13.1 40.0 22.9
3.5 0.4 15.5 9.9 27.5 9.8 40.5 26.0
4.0 0.5 16.0 10.9 28.0 8.8 41.0 28.9
4.5 0.9 16.5 10.0 28.5 10.0 41.5 29.1
5.0 1.1 17.0 5.9 29.0 12.1 42.0 29.7
5.5 1.3 17.5 3.9 29.5 15.2
6.0 1.9 18.0 4.7 30.0 18.4
6.5 2.1 18.5 6.8 30.5 21.2
7.0 1.2 19.0 8.5 31.0 22.5
7.5 0.9 19.5 10.2 31.5 21.5
8.0 1.1 20.0 11.9 32.0 18.1
8.5 1.8 20.5 13.2 33.0 14.0
9.0 2.4 21.0 14.9 34.0 11.3
9.5 3.1 21.5 13.0 34.5 12.1
11.0 5.4 23.0 6.4 36.0 21.0
11.5 6.0 23.5 8.9 36.5 24.5
Hg(down)
V G2（×1V) I P（×10-8μA）V G2（×1V) I P（×10-8μA）V G2（×1V) I P（×10-8μA）V G2（×1V) I P（×10-8μA）42.0 29.7 30.0 16.1 18.0 3.5 6.0 2.0
41.5 30.0 29.5 13.0 17.5 3.5 5.5 1.6
41.0 28.2 29.0 10.5 17.0 8.3 5.0 1.1
40.5 25.6 28.5 8.9 16.5 12.5 4.5 1.0
40.0 21.4 28.0 8.1 16.0 12.4 4.0 0.7
39.5 18.9 27.5 10.0 15.5 10.5 3.5 0.4
39.0 17.0 27.0 13.8 15.0 9.1 3.0 0.2
38.5 16.1 26.5 19.9 14.5 7.0 2.5 0.2
38.0 17.1 26.0 20.1 14.0 5.0 2.0 0.1
37.5 20.2 25.5 17.1 13.5 3.1 1.5 0.1
37.0 24.2 25.0 15.0 13.0 2.0 1.0 0.1
36.5 25.5 24.5 12.0 12.5 1.4 0.1 0.1
36.0 24.9 24.0 9.1 12.0 4.4
35.5 21.8 23.5 7.0 11.5 7.5
35.0 18.5 23.0 6.5 11.0 7.0
34.5 15.0 22.5 7.0 10.5 6.0
34.0 12.5 22.0 12.0 10.0 4.3
33.5 11.0 21.5 16.9 9.5 3.2
33.0 11.8 21.0 17.2 9.0 2.1
32.5 14.2 20.5 15.2 8.5 1.3
32.0 17.8 20.0 12.5 8.0 1.0
31.5 21.4 19.5 10.1 7.5 0.9
31.0 21.2 19.0 7.2 7.0 2.1
30.5 19.1 18.5 5.3 6.5 2.9
数据处理：
Ar曲线（上升）：
Ar曲线（下降）：
Hg曲线（上升）：
Hg曲线（下降）：
读取到的峰坐标为：
Ar（up）： 2.85 3.95 5.1 6.25 7.46 8.76
Ar（down）： 2.95 4.05 5.15 6.35 7.55 8.78 Hg（up）：11.1 15.9 21.0 25.9 31.0 36.9 Hg（down）：11.1 16.2 21.2 26.2 31.2 36.4
计算平均值得到Ar和Hg的V G2K-I P曲线的峰值坐标为：
Ar： 2.90 4.0 5.125 6.30 7.505 8.77 Hg：11.1 16.05 21.1 26.05 31.1 36.65
计算峰值坐标的差值得到Ar和Hg的第一激发电位为：
Ar： 1.1 1.125 1.175 1.205 1.265
Hg： 4.95 5.05 4.95 5.05 5.55
求得平均值为：
Ar： 1.174
Hg： 5.11
最终可得Ar和Hg的第一激发电位为：
V Ar=1.174×10=11.74V
V Hg=5.11×1=5.11V
思考题：
1、灯丝电压的大小对I P-V G2K曲线有何影响？
答：灯丝电压越大，F处的电子就更容易激发出来，便会产生更多的电子，且激发出来的电子也将有更多的动能。若没有V G1K的控制，F-H管中的电流便会增大。所以在实验中，如果灯丝电压增大，就可以增大F-H管中的最大电流值，可以使曲线向右上方向拓展的更多，也就可以测到更多的峰值，可以减小实验的误差。
2、说明温度对充汞F-H管I P-V G2K曲线影响的物理机制。
答：当温度过低时，由于Hg原子多数还处于液态，所以电子与气态Hg原子碰撞的概率很小，导致很多电子直接穿过F-H 管而不与Hg原子碰撞，所以此时F-H管的I P会很大；当温度过高时，由于Hg原子的热运动非常剧烈，Hg与Hg原子，Hg与电子之间都频繁地碰撞。而碰撞的次数过多，则会使部分电子虽然有足够的动能但也难以到达A极而逸出F-H管。所以此时测量到的I P值会比实际的要小一些。
3、为什么温度低时充汞F-H管的I P很大？
答：因为在常温下Hg是液态的，若温度低则Hg原子大多处于液体状态，在F-H管中自由运动的气态Hg很少，所以电子与Hg原子碰撞的概率大大减小。因此多数电子未与Hg原子碰撞，直接从K极加速运动到A极。所以在温度低时充汞F-H管的I P很大。
弗兰克赫兹实验报告-有数据
弗兰克赫兹实验报告-有数据
弗兰克赫兹实验 作者 luckydog8686 实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。 一、实验目的 1.通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。 2.学习测量微电流的方法。 二、实验原理 （一）原子能级 根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频 率的光子。然而，原子若与具有一定 能量的电子发生碰撞，也可使原子从 低能级跃迁到高能级。夫兰克－赫兹 实验正是利用电子与原子的碰撞实现
这种跃迁的。电子在加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能2 /2mv ，当2 /2n m eU mv E E ==-时，即可实现跃迁。若原子吸收能量0eU 。从基态跃迁到第一激发态，则称0 U 为第一激发电位或中肯电位。 汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个6s 电子组成的1 S ，较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构成的11P 单能级和32P ， 3 1 P 和30P 组成的三能级。只有31P 为允许自发跃迁态：31 10 P S →,发出波长为253.7nm 的紫外光，对应能量为0 4.9U eV =。32P 和3 P 为亚稳态，因3110P S →的跃迁属于禁戒跃迁，所以通常把3 1 P 态称为汞的第一激发态。 （二）原理说明 实验原理图如图2和图3所示，充汞的夫兰克 -赫兹管，其阴极K 被灯丝H 加热，发射电子。电子在K 和栅极G 之间被加速电压KG U 加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极A 之间加反向拒斥电压GA U ，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流A I 。 图3
弗兰克赫兹实验
弗兰克－赫兹实验 1．实验目的 （1）用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在； （2）练习使用微机控制的实验数据采集系统。 2．实验原理 根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的。对于不同的原子，这些轨道上的电子束分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的能量。当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，原子就处于受激状态。若轨道1为正常态，则较高能量的2和3依次称为第一受激态和第二受激态，等等。但是原子所处能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个基本假设的制约： （1）定态假设。原子只能处在稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值Ei （i ＝1，2，3，…），这些能量值是彼此分立的，不连续的。 （2）频率定则。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系： n m h E E ν=- 其中34 6.6310 h J s -=??称作普朗克常数。 原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或放出电磁辐射时，二是当原子与其他粒子发生碰撞而交换能量时。本实验就是利用具有一定能量的电子与汞原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。 由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需能量不能小于该原子从基态跃迁到第一受激态时所需的能量，这个能量称作临界能量。当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。这时，电子给予原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其余能量仍由电子保留。 一般情况下，原子在受激态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。其频率υ满足下式 g h eU ν= 式中g U 为汞原子的第一激发电位。所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。 弗兰克－赫兹实验的原理可用图 来说明。其中弗兰克－赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充汞四极管。第一栅极1G 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响提高发射效率。第一栅极1G 与阴极K 之间的电位差由电源G U 提供。电源f U 加热灯丝FF ，使旁热式阴极K 被加热，从而产生慢电子。扫描电源a U 加在栅极2G 和阴极K 之间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸汽朝栅极2G 运动。由于阴极到栅极2G 之间的距离比较大，在适当的汞蒸气压下，这些电子与汞原子可以发生多次碰撞。电源R U 在栅极2G 和极板P 之间建立一拒斥场，到达2G 附近而能量小于R eU 的电子不能到达极板。极板电路中的电流强度P I 用微电流放大器A 来测量，其值大小反映了从阴极到达极板的电子数。实验中保持R U 和G U 不变，直接测量极板电流P I 随加速电压a U 变化的关系。 加速电压a U 刚开始升高时，板极电流也随之升高，直到加速电压a U 等于或稍大于汞原子的第一激发电位，这时在栅极2G 附近电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量交给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能越过R U 产生的拒斥场，到达板极的电子数减少，所以电流开始下降，继续增加a U ，电子在与汞原子碰撞后还能在到达2G 前被加
实验报告 弗兰克赫兹实验报告内容
弗兰克赫兹实验报告内容 弗兰克-赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持，那么，下面是给大家整理收集的弗兰克赫兹实验报告内容，供大家阅读参考。 弗兰克赫兹实验报告内容1 仪器 弗兰克-赫兹管(简称F-H管)、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、微机X-Y记录仪。 F-H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。为了使F-H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F-H管置于控温加热炉内。加热炉的温度由控温装置设定和控制。炉温高时，F-H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。 F-H管电源组用来提供F-H管各极所需的工作电压。其中包括灯丝电压UF，直流1V~5V连续可调;第一栅极电压UG1，直流0~5V连续可调;第二栅极电压UG2，直流0~15V连续可调。 扫描电源和微电流放大器，提供0~90V的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为F-H管的加速电压，供手动测量或函
数记录仪测量。微电流放大器用来检测F-H管的板流，其测量范围为10^-8A、10^-7A、10^-6A三挡。 微机X-Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。 原理 玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……，处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态;②原子从一个定态跃迁到另一个定态时，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定: hv=|Em-En|(1) 式中:h为普朗克常量。 原子从低能级向高能级跃迁，也可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。本实验即让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是E2-E1。初速度为零的电子在电位差为U的加速电场作用下具有能量eU，若eU小于E2-E1这份能量，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量eU≥E2-E1时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸收相当于E2-E1的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。设使电子具有E2-E1
实验七 弗兰克 赫兹实验
实验七弗兰克—赫兹实验 1913年，丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)在卢瑟福原子核式模型的基础上，结合普朗克的量子理论提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱现象，成为原子物理学发展史上的一个重要里程碑。在玻尔原子结构理论发表的第二年，弗兰克(J.Frank)和赫兹(G .Hertz)在研究汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸气的电子流随电子能量呈现周期性的变化，同年又观察到汞光谱线253.7nm 的发射光谱。1920年，弗兰克他们改进了装置，测得了汞原子的亚稳能级和较高的激发能级，进一步证明了原子内部量子化能级的存在，以及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，给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。弗兰克和赫兹由于他们在实验上的卓越成就，共同获得了1925年的诺贝尔物理学奖。弗兰克—赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。 一、实验目的 1．通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在，了解弗兰克和赫兹研究原子内部结构的基本思想和方法。 2．了解电子与原子碰撞和能量交换的微观图象以及影响这个过程的主要物理因素。 二、实验仪器 FD-FH-1型弗兰克—赫兹仪、双踪示波器。 三、实验原理 玻尔的原子模型指出：原子是由原子核和核外电子组成的。原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。对于不同的原子，在轨道上运动的电子分布各不相同。 在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量。当一个原子内的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，该原子就处于一种受激状态。如图35-l 所示，若轨道Ⅰ上为正常状态，则电子从轨道Ⅰ跃迁到轨道Ⅱ时，该原子处于第一激发态；若电子跃迁到轨道Ⅲ，原子处于第二激发态。图中，E 1、E 2、E 3分别是与轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相对应的能量。当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级E n 态跃迁到高能级E m 态，则原子需吸收一定的能量△E m n E E E ?=-(35-1)
弗兰克—赫兹实验报告
弗兰克—赫兹实验
一、实验目的 1、了解弗兰克--赫兹试验的原理和方法； 2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法； 3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。 二、实验原理 玻尔提出的原子理论指出：原子只能较长地停留在一些稳定的状态。原子在这种状态时，不发射或吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔得。原子的能量不论通过什么方式改变，它只能从一个状态跃迁代另一个状态。原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时，辐射的频率是一定的。于是有如下关系： n E m E hv -=， 式中，h 为普朗克常数。为了使原子从低能级想高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与燕子相碰撞进行能量交换的办法来实现。 图1 弗兰克-赫兹管结构图 夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K ，板极A ，G 1 、G 2分别为第一、第二栅极。
K-G 1-G 2加正向电压，为电子提供能量。1G K U 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G 2-A 加反向电压，形成拒斥电场。 电子从K 发出，在K-G 2区间获得能量，在G 2-A 区间损失能量。如果电子进入G 2-A 区域时动能大于或等于e 2G A U ，就能到达板极形成板极电流I . 电子在不同区间的情况： 1. K-G 1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。 2. G 1-G 2区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差 E ＝E 2E 1 时，氩原子基本不吸收电子 的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到E ，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。 E 称为临界能量。 3. G 2-A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eU G2A 则不能达到板极。 由此可见，若eUG2K< E ，则电子带着 eUG2K 的能量进入G2-A 区域。随着UG2K 的增加，电流I 增加（如图2中Oa 段）。 若eUG2K ＝ E 则电子在达到G2处刚够临 界能量，不过它立即开始消耗能量了。继续增大 UG2K ，电子能量被吸收的概率逐渐增加，板极电流逐渐下降（如图2中ab 段）。 继续增大UG2K ，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc 段）。 若eUG2K>n 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 2G K U 变化曲线就形成n 个峰值，如图2所示。 图2弗兰克-赫兹实验2 G K U ～I 曲线 a b c I (nA) 2G K (V) U O U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 7
弗兰克-赫兹实验实验报告
弗兰 克-赫兹实验 一实验目的 通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。 二实验原理 1激发电势 玻尔的原子能级理论 （1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。原子在这些状态时，不发射或吸收能量；各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。 （2）原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足 n m E E hv -=（1） 原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。 设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为eU ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E 1带表汞原子的基态能量，E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为 120E E eU -=（2） 时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。 夫兰克-核子实验原理如图1示。 在充汞的夫兰克赫兹管中， GK 供电子加速。在板极A 和栅极G 示。当电子通过KG 空间进入GA 空间时，如果有较大的能量（≥eU AG ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA 检测出。如果电子在KG 空间与汞原子碰
撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显着的减小。 实验时，观察电流计的电流随U GK 逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的I A -U GK 曲线。曲线反映了汞原子在KG 空间与电子进行能量交换的情况。当KG 空间电压逐渐增加时，电子在KG 空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞）。穿过栅极的电子形成的板流IA 将随栅极电压的增加而增大（图中OA 段）。当KG 间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA 将显着减小（图AB 段）。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A ，这时电流有开始上升（BC 段）。直到KG 间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时，电子在KG 空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降（CD 段），同理 0nU U GK =（n=1，2，3，……）（3） 凡符合（3）式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK 曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差m m U U -+1应该是汞原子的第一激发电势。 三实验仪器 FH-1A 夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。 四实验内容及步骤 1、正确连接线路，A 、G 、H 、K 连线一一对应，不可混接或短路。 2、将微电流放大器，工作选择置于DC ，工作状态置于R ，栅极电压调到最小，预热5分钟。 3、接通加热炉电源，温度升至180℃时调零（10-5档位）和满度（FULL ）。 4、缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA 的起伏变化，当μA 表满度时相应的改变倍率。
弗兰克赫兹实验报告记录有数据
弗兰克赫兹实验报告记录有数据
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图1 弗兰克赫兹实验 作者 luckydog8686 实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采 取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。 一、实验目的 1. 通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。 2. 学习测量微电流的方法。 二、实验原理 （一）原子能级 根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。然而，原子若与具有一定能量的电子发生碰撞，也可使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞实现这种跃迁的。电子在 加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能2 /2mv ，当2/2n m eU mv E E ==-时，即可实现跃迁。 若原子吸收能量0eU 。从基态跃迁到第一激发态，则称0U 为第一激发电位或中肯电位。 汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个 6s 电子组成的1 0S ，较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构成的11P 单能级和32P ， 31P 和30P 组成的三能级。只有31P 为允许自发跃迁态：3110P S →,发出波长为253.7nm 的紫外光，对应能量为 0 4.9U eV =。32P 和30P 为亚稳态，因3110P S →的跃迁属于禁戒跃迁， 所以通常把3 1P 态称为汞的第一激发态。
夫兰克-赫兹实验(Ar管)
3 夫兰克——赫兹实验 1913年玻尔模型提出后，成功地解释了氢光谱，从而解开了近三十年之久的巴尔末公式之谜，以及对类氢离子光谱的成功解释。当这一消息传到爱因斯坦那里时，他也心悦城服并称玻尔的理论是一个“伟大的发现”。但任何一个重要的物理模型要上升为理论必须得到两种独立的实验方法的验证。夫兰克和赫兹在玻尔理论发表后不久，就用了一种独立于光谱研究的方法直接验证了玻尔理论，正是这个实验使我们感受到了原子内部这个迄今为止人类无法看到的美妙世界的跃动。1925年夫兰克和赫兹共同分享了诺贝尔物理学奖。 通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，学习和体验夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的实验思想和实验方法。 【实验目的】 1、了解夫兰克——赫兹实验的原理和方法。 2、测定氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在，研究原子内部能量的量子化。 【实验原理】 根据玻尔理论原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子，当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能跃迁到高能级（激发）如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有： 012e 1E E v m 2 1eV -== 电子在电场中获得的动能和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态,V 1称为原子第一激发电势（位）。 本次实验测定氩原子的第一激发能,其标准值约为11.4eV ， 因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值。于四极式的F-H 碰撞 管，实验线路连接如图（1）所示。 图中：V F 为灯丝加热电压，V G1K 为正向小电压，V G2K 为加速电压， V G2P 为减速电压。 F-H 管中的电位分布如图（2）所示。 图（2）电子由阴极发出经电场V G2K 加速趋向阳极，只要 电子能量达到克服减速电场V G2P 就能穿过栅极G 2到达板极P 形 成电子流I P 。由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原 子发生碰撞。如果，电子能量小于第激发能eV 1，它们之间的 碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒定理不 难推出电子损失的能量极小，电子能如期地到达阳极；如果电 子能量达到或超过eV 1,电子与原子将发生非弹性碰撞，电子把 能量eV 1传给气体原子，要是非弹性碰撞发生在G 2栅极附近， 损失了能量的电子将无法克服减速场V G2P 到达板极。 这样，从阴极发出的电子随着V G2K 从零开始增加板极上将有电流出现并增加，如果加速到G 2栅极的电图（1） 图（2）
弗兰克赫兹实验
Franck-Hertz 实验 根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型指出原子的核外电子只能量子化的长存于各稳定能态E n (n ＝1，2，…，)，它只能选择性地吸收外界给予的量子化的能量差值(E n - E k )，从而处于被激发的状态；或电子从激发态选择性地释放量子化的能量E n -E k =h γnk ，回到能量 较低的状态，同时放出频率为h γ nk 的光子。其中h 为普朗克常数。 夫兰克——赫兹实验仪重复了上述电子轰击原子的实验，通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换，使原子从低能级跃迁到高能级，直接观测到原子内部能量发生跃变 时，吸收或发射的能量为某一定值，从而证明了原子能级的存在及波尔理论的正确性。 一、实验要求 1．通过测氩原子第一激发电位，了解Franck 和Hertz 在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。 2．了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。 二、实验仪器 FH —1A Franck-Hertz 实验仪。 三、工作原理 充氩四极Franck-Hertz 实验原理图如图2.1所示 图2.1 Franck-Hertz 实验原理图 电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述： E V M v m MV v m e e ?+'+'=+22222/12/12/12/1 （2.1）
式中： m e ——原子质量； M ——电子质量； v ——电子碰撞前的速度； v’——电子碰撞后的速度； V ——原子碰撞前的速度； V’——原子碰撞后的速度； ΔE ——原子碰撞后内能的变化量。 按照波尔原子能级理论， ΔE=0 弹性碰撞； (2.2) ΔE=E 1-E 0 非弹性碰撞； 式中： E 0 ——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。 电子碰撞前的动能2 2/1v m e < E 1-E 0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE=0 ，原子仍然停留在基态。电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能2 2/1v m e ≥ E 1-E 0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值（E 1-E 0）的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。 Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的。 在充入氩气的F-H 管中（如图2.1所示），阴极K 被灯丝加热发射电子，第一栅极（G1）与阴极K 之间的电压 V G1K 约为1.5V ，其作用是消除空间电荷对阴极K 的影响。当灯丝加热时，热阴极K 发射的电子在阴极K 与第二栅极（G2）之间正电压形成的加速电场作用下被加速而取得越来越大的动能，并与V G2K 空间分布的气体氩原子发生如 (2.1) 式所描述的碰撞而进行能量交换。第二栅极（G2）和A 极之间的电压称为拒斥电压，起作用是使能量损失较大的电子无法达到A 极。 阴极K 发射的电子经第一栅极（G1）选择后部分电子进入G1G2空间，这些电子在 加速下与氩原子发生碰撞。初始阶段, V G2K 较低，电子动能较小，在运动过程中与氩原子作弹性碰撞，不损失能量。碰撞后到达第二栅极（G2）的电子具有动能22/1v m e '，穿过G2后将受到V G2K 形成的减速电场的作用。只有动能 2 2/1v m e '大于eV G2A 的电子才能到达阳极A 形成阳极电流I A ，这样,I A 将随着V G2K 的增加而增大，如图 I A — V G2K 曲线Oa 段所示。 当V G2K 达到氩原子的第一激发电位13.1V 时，电子与氩原子在第二栅极附近产生非弹性碰撞，电子把从加速电场中获得的全部能量传给氩原子，使氩原子从较低能级的基态跃迁到较高能级的第一激发态。而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使他能穿过第二栅极
弗兰克-赫兹实验教案
弗兰克-赫兹实验 1．了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。 教学目的 2．观察实验现象，加深对玻尔原子理论的理解。 3．由绘制的I P-V G2曲线求出氩原子的第一激发电势。 重难点 1．玻尔原子理论的理解； 2．求氩原子的第一激发电势。 教学方法讲授、实验、讨论。 学时 3个学时 一、前言 弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子碰撞前后能量的变化，能观测到氩原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 二、实验仪器 F-H实验装置、示波器。 三、实验原理 玻尔的原子模型指出：原子是由原子核和核外电子组成的。原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。对于不同的原子，在轨道上运动的电子分布各不相同。 图1原子结构示意图 在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量。当一个原子内的电子从低能量的轨道跃迁到较高能
量的轨道时，该原子就处于一种受激状态。如图l所示，若轨道上为正常状态，则电子从轨道Ⅰ跃迁到轨道Ⅱ时，该原子处于第一激发态；电子跃迁到轨道Ⅲ，原子处于第二激发态。图中，E1、E2、E3分别是与轨道l、Ⅱ、Ⅲ相对应的能量。 当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级E n态跃迁到高能级E m态，则原子需吸收一定的能量△E： △E=E m-E n (1) 原子状态的改变通常有两种方法：一是原子吸收或放出电磁辐射；二是原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。本实验利用慢电子与氩原子相碰撞，使氩原子从正常状态跃迁到第一激发态，从而证实原子能级的存在。 由玻尔理论可知，处于正常状态的原子发生状态改变时，所需能量不能小于该原子从正常状态跃迁到第一激发态所需的能量，这个能量称临界能量。当电子与原子相碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则电子与原子之间发生弹性碰撞，电子的能量几乎不损失。如果电子的能量大于临界能量，则电子与原子发生非弹性碰撞，电子把能量传递给原子，所传递的能量值恰好等于原子两个状态间的能量差，而其余的能量仍由电子保留。 电子获得能量的方法是将电子置于加速电场中加速。设加速电压为U，则经过加速后的电子具有能量eU，e是电子电量。当电压等于U g时，电子具有的能量恰好能使原子从正常状态跃迁到第一激发态．因此称U g为第一激发电势。 图2实验原理图 弗兰克一赫兹实验的实验原理图如图2所示。电子与原子的碰撞是在充满氩气的F—H管(弗兰克一赫兹管)内进行的。F-H管包括灯丝附近的阴极K，两个栅极G1、G2．板极A。第一栅极G1靠近阴极K，目的在于控制管内电子流的大小，以抵消阴极附近电子云形成的负电势的影响。当
夫兰克--赫兹实验原理
[实验原理] 根据玻尔理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中每一状态对应于一定的能量值，各定态的能量是分立的，原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差地能量。如果处于基态的原子要发生状态改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要地能量。夫兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态地跃迁。 电子与原子碰撞过程可以用以下方程表示： ； 其中是电子质量，是原子质量，是电子的碰撞前的速度，是原子的碰撞前的速度，是电子的碰撞后速度，是原子的碰撞后速度，为内能项。因为，所以电子的动能可以转变为原子的内能。因为原子的内能是不连续的，所以电子的动能小于原子的第一激发态电位时，原子与电子发生弹性碰撞；当电子的动能大于原子的第一激发态电位时，电子的动能转化为原子的内能， 为原子的第一激发电位。 夫兰克—赫兹实验原理如图1所示，充氩气的夫兰克—赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极和栅极之间的加速电压使电子
加速，在板极和栅极之间有减速电压。当电子通过栅极进入空间时，如果能量大于，就能到达板极形成电流。电子在空间与氩原子发生了弹性碰撞，电子本身剩余的能量小于，则电子不能到达板极，板极电流将会随着栅极电压的增加而减少。实验时使逐渐增加，观察板极电流的变化将得到如图2所示的 曲线。 随着的增加，电子的能量增加，当电子与氩原子碰撞后仍留下足够的能量，可以克服空间的减速电场而到达板极时，板极电流又开始上升。如果电子在加速电场得到的能量等于时，电子在 空间会因二次非弹性碰撞而失去能量，结果板极电流第二次下降。
在加速电压较高的情况下，电子在运动过程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞，在关系曲线上就表现为多次下降。对氩来说，曲线上相邻两峰（或谷）之间的之差，即为氩原子的第一激发电位。这即证明了氩原子能量状态的不连续性。 [实验内容与步骤] 一、示波器演示 1、分别用线将主机正面板上“输出”和“输出”与示波器上的“”和“”相连，将电源线插在主机后面板的插孔内，打开电源开关； 2、把扫描开关调至“自动”档，扫描速度开关调至“快速”，把电流增益波段开关拨至“”； 3、打开示波器的电源开关，并分别将“”、“”电压调节旋钮调至“”和“”，“”工作方式开关按下，“”全部打到“”； 4、分别调节、、电压至主机上部厂商标定数值，将调节至最大，此时可以在示波器上观察到稳定的氩的曲线； 二、手动测量
弗兰克-赫兹实验实验报告
弗兰克-赫兹实验 一 实验目的 通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。 二 实验原理 1 激发电势 玻尔的原子能级理论 （1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。原子在这些状态时，不发射或吸收能量；各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。 （2） 原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足 n m E E hv -= （1） 原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。 设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为eU ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E 1带表汞原子的基态能量，E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为 120E E eU -= （2） 时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。 夫兰克-核子实验原理如图1示。 在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出，阴极K 和栅极G 之间的加速电压U GK 供电子加速。在板极A 和栅极G 之间加有拒斥电压U AG 。管子空间电位分布如图2示。当电子通过KG 空间进入GA U GK /V I A /nA 图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的I A -U GK 曲线
空间时，如果有较大的能量（≥eU AG ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA 检测出。如果电子在KG 空间与汞原子碰撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显著的减小。 实验时，观察电流计的电流随U GK 逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的I A -U GK 曲线。曲线反映了汞原子在KG 空间与电子进行能量交换的情况。当KG 空间电压逐渐增加时，电子在KG 空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞）。穿过栅极的电子形成的板流IA 将随栅极电压的增加而增大（图中OA 段）。当KG 间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA 将显著减小（图AB 段）。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A ，这时电流有开始上升（BC 段）。直到KG 间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时，电子在KG 空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降（CD 段），同理 0nU U GK =（n=1，2，3，……） （3） 凡符合（3）式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK 曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差m m U U -+1应该是汞原子的第一激发电势。 三 实验仪器 FH-1A 夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。 四 实验内容及步骤 1、 正确连接线路，A 、G 、H 、K 连线一一对应，不可混接或短路。 2、 将微电流放大器，工作选择置于DC ，工作状态置于R ，栅极电压调到最小，预热5分钟。 3、 接通加热炉电源，温度升至180℃时调零（10-5 档位）和满度（FULL ）。 4、 缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA 的起伏变化，当μA 表满度时相应的改变倍率。
弗兰克赫兹实验思考题
1、夫兰克-赫兹实验中，发生什么过程导致U-I 曲线？ 玻尔原子模型理论指出： 1. 原子只能处在一些不连续的稳定状态（定态）中，其中每一定态相应于一定的能量Ei(i=1, 2, 3, …m …n)。 2．当一个原子从某定态Em 跃迁到另一定态En 时，就吸收或辐射一定频率的电磁波，频率的大小决定于两定态之间的能量差En —Em ，并满足以下关系： h ν=En —Em 式中普朗克常数h=6.63×10-34J ·s 。 原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受到其他有足够能量的粒子碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。从基态跃迁到第一激发态所需要的能量称为临界能量。当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞，电子碰撞前后能量不变，只改变运动方向。如果电子动能大于临界能量，则发生非弹性碰撞，这时电子可把数值为△E=En —E1的能量交给原子（En 是原子激发态能量，E1是基态能量），其余能量仍由电子保留。 如初始能量为零的电子在电位差为U0的加速电场中运动，则电子可获得的能量为eU0；如果加速电压U0恰好使电子能量eU0等于原子的临界能量，即eU0＝E2—E1，则U0称为第一激发电位，或临界电位。测出这个电位差U0，就可求出原子的基态与第一激发态之间的能量差E 2—E 1。 原子处于激发态是不稳定的。不久就会自动回到基态，并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其频率可由关系式h ν=eU0求得。在玻尔发表原子模型理论的第二年(1914)，夫兰克(James Franck,1882—1964)和赫兹(Gustav Hertz,1887—1975)参照勒纳德创造反向电压法，用慢电子与稀薄气体原子（Hg ；He ）碰撞，经过反复试验，获得了图2的曲线。 实验原理如图3所示，在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由阴极K 发出，阴极K 和第一栅极G1之间的加速电压K G V 1 及与第二栅极G2之间的加速电压K G V 2使电 图3 夫兰克-赫兹原理图 子加速。在板极A 和第二栅极G2之间可设置减速电压A G V 2 ，管内空间电压分布见图4。 图4 夫兰克-赫兹管内空间电位分布原理图 注意：第一栅极G1和阴极K 之间的加速电压K G V 1约1.5伏的电压，用于消除阴极电压散射的影响。 当灯丝加热时，阴极的外层即发射电子，电子在G1和G2间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但在起始阶段，由于电压K G V 2较低，电子的能量较小， 即使在运动过程中，它与原子相碰撞（为弹性碰撞）也只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的电流A I 随
弗兰克赫兹实验
仪器 弗兰克-赫兹管(简称F-H管)、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、微机X-Y记录仪。 F-H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。为了使F-H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F-H管置于控温加热炉内。加热炉的温度由控温装置设定和控制。炉温高时，F-H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。 F-H管电源组用来提供F-H管各极所需的工作电压。其中包括灯丝电压UF，直流1V~5V连续可调;第一栅极电压UG1，直流0~5V连续可调;第二栅极电压UG2，直流0~15V连续可调。 扫描电源和微电流放大器，提供0~90V的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为F-H管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。微电流放大器用来检测F-H管的板流，其测量范围为10^-8A、10^-7A、10^-6A三挡。 微机X-Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。 原理
玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……，处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态;②原子从一个定态跃迁到另一个定态时，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定: hv=|Em-En|(1) 式中:h为普朗克常量。 原子从低能级向高能级跃迁，也可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。本实验即让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是E2-E1。初速度为零的电子在电位差为U的加速电场作用下具有能量eU，若eU小于E2-E1这份能量，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量eU≥E2-E1时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸收相当于E2-E1的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。设使电子具有E2-E1能量所需加速电场的电位差为U0，则 eu0=E2-E1(2) 式中:U0为汞原子的第一激发电位(或中肯电位)，是本实验要测的物理量。 实验方法是，在充汞的F-H管中，电子由热阴极发出，阴极K和
弗兰克-赫兹实验报告
大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验 实验题目：弗兰克赫兹实验 实验器材：F－H实验管、恒温加热电炉、F－H实验装置、示波器。 实验内容： 1．熟悉实验装置，掌握实验条件。 该实验装置由F－H管、恒温加热电炉及F－H实验装置构成，其装置结构如下图所示： F-V管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。一般温度在100 oC至250 oC。并且由于Hg对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。灯丝电压控制着阴极K发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个峰的位置，是一个关键的条件。 2．测量Hg的第一激发电位。 1）起动恒温控制器，加热地F-H管，使炉温稳定在157oC，并选择合适的灯丝电压，V G1K=2.5V，V G2p=1.5V，V f=1.3V。 2）改变V G2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.2V记录一个数据）。 图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。 3）作数据处理，作出对应的Ip-V G2k
3．测Ar原子的第一激发电位。 1）调节好相关的数据：V p=8.36V，V G1=1.62V，V G2k=0~100V，V f=2.64V； 图，是否符合实验要求（有2）将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的Ip-V G2k 六个以上的波峰）。再将相关档位调到手动档位。 3）手动改变V G2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.05V记录一个数据）。 4）作数据处理，作出对应的Ip-V 图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。 G2k 4．得出结论。 原始数据: 1. V f=1.3V V G1K= 2.5V V G2p=1.5V T=157oC 求汞原子的第一激发电位的数据表
弗兰克-赫兹实验报告
弗兰克-赫兹实验 1913年，玻尔根据氢光谱的线状结构以及巴尔末根据可见光波长归纳出的公式 ??? ??-=221211 n R λ ，天才地提出原子的行星模型：质量集中在核，电子在固定的轨道上，原子的定态能级。这是与经典物理已经构建的大厦冲突的。 1914年，弗兰克和赫兹用电子碰撞原子的方法测量到了汞的激发电位和电离电位，证实了原子存在定态能级。他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。 F-H 管内先注入少量汞，再抽成真空，在一定温度下，得到合适压强的汞蒸气。电子由阴极K 出发，受第二栅极G 2正电压作用加速，在管中与汞原子碰撞。逐渐增加KG 2电压，观察屏极电流。发现电流逐渐增加，但每增加4.9V ，都出现一次电流陡降。第一次陡降出现在4.1V 左右，是由于仪器的接触电势所致。具有4.9eV 的电子与汞原子碰撞，将全部能量传递给汞原子，使其处于4.9eV 的激发态。再增大电压，电子在F-H 管中发生第二次、第三次…碰撞，屏极电流都会陡降。G 1的作用： 控制电子束电流并消除阴极附近电子聚集。屏极A 与G 2间有负电压，使得与汞原子发生非弹性碰撞二损失了能量的电子不能到达A 极。而G 1与G 2间距较大，使电子与气体有较大的碰撞区域。 先用“快扫”观察现象，后用“手动”档，记录相应的电流、电压值，尤其是各电流峰值对应的电压值。做电压-电流图，根据各峰值对应的电压值，用逐差法求出汞原子的激发电位。
?原理图 F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射电子，G1控制通过G1的电子数目，G2加速电子，G1、G2空间较大，提供足够的碰撞概率，A接收电子，AG2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。 实验曲线： ?碰撞过程及能量交换