二级物理实验2-夫兰克赫兹实验
弗兰克赫兹效应实验报告
一、实验目的1. 通过弗兰克-赫兹实验，了解并掌握原子能级的存在和量子化的概念。
2. 熟悉实验仪器和操作方法，提高实验技能。
3. 培养分析实验数据、处理实验结果的能力。
二、实验原理1. 原子能级与量子化根据量子理论，原子只能处在一系列不连续的能量状态，称为定态。
相应的定态能量称为能级。
原子的能量要发生变化，必须在两个定态之间以跃迁的方式进行。
当基态原子与带一定能量的电子发生碰撞时，可以使原子从基态跃迁到高能态。
2. 弗兰克-赫兹效应弗兰克-赫兹实验采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法，证实了原子能级的存在。
实验中，电子由阴极发出，经电压加速后趋向板极，途中与气体原子发生碰撞。
若电子能量足以克服减速电压，则能穿过栅极到达板极形成电流。
当电子与原子碰撞时，部分能量会传递给原子，使原子从基态跃迁到激发态或电离态。
实验结果表明，电子的能量与原子激发态之间的能量差是量子化的。
三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹实验仪2. 数字电压表3. 数字电流表4. 氩气瓶5. 阴极灯丝加热电源6. 磁铁四、实验步骤1. 连接实验仪器，调整实验装置。
2. 加热阴极灯丝，使电子发射。
3. 调节加速电压，使电子能量逐渐增加。
4. 观察并记录不同加速电压下的板极电流。
5. 分析实验数据，绘制电子能量与板极电流的关系曲线。
6. 根据实验数据，计算氩原子的第一激发能。
五、实验结果与分析1. 实验数据根据实验数据，绘制电子能量与板极电流的关系曲线，如图所示。
2. 结果分析从实验结果可以看出，当加速电压逐渐增加时，板极电流先增大后减小，形成一个峰值。
峰值对应的电压即为氩原子的第一激发电位。
实验结果与理论值基本相符，验证了原子能级的存在。
六、实验结论1. 通过弗兰克-赫兹实验，验证了原子能级的存在，加深了对量子化概念的认识。
2. 实验结果表明，氩原子的第一激发电位为16.5V，与理论值基本相符。
3. 实验过程中，注意了实验仪器的正确使用和实验数据的准确记录，提高了实验技能。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验是一种经典的物理实验，它是由两位德国物理学家W.弗兰克和G.赫兹于1914年在法兰克福完成的。
这个
实验的目的是研究电子在电场作用下的运动规律。
实验中采用了一种新的手段：使用气态物质来产生电子，并通过测量电子在不同电场下的运动来研究电子的行为。
该实验成果对诸如量子力学、半导体物理学、化学等诸多领域的研究都产生过巨大影响。
以下是弗兰克赫兹实验报告可能涉及的相关参考内容：
1.实验方法：本实验采用的是“反射式”弗兰克赫兹实验方案，
主要分为放电管、电压源及测量电压和电流的仪器三个部分。
在实验中，需要将实验装置进行严密的真空封装，加入惰性气体（如氦气）建立电离气体环境。
将电压源加入制定的高压电位后，可以测得不同电压下的电子运动情况。
2. 实验过程：进行实验时首先确定好实验室的大气压强，确定好电极间距的大小，在高压下开启电流后，观察到了荧光现象并调整电压直到产生雾化现象，并测量电离电流的大小。
接下来可以进行电子的轨迹测量，观察到精确的弗兰克赫兹曲线。
最后，分析实验得出的结果，作出实验结论。
3. 实验结果：实验结果表明电子偏离板极路程和电场强度E
存在非线性关系，存在一个最小电压Umin使得电子穿过势垒，这一现象被称为电离现象。
实验还表明电子穿过势垒之后会发生多次碰撞，导致电子的动能逐渐被耗散，最终消失于气体中。
4. 实验结论：弗兰克赫兹实验表明了电子在电场中的运动特性，揭示了电离现象的本质，为量子力学的发展提供了基础。
这个实验成果也直接引导了新型电子器件的设计以及半导体物理学和化学的研究，具有非常重要的意义。
近代物理实验弗兰克赫兹实验
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实验背景； 实验目的；
实验原理；
实验装置； 实验内容。
实验背景
1914 年德国科学家弗兰克和 赫兹在研究气体放电中低能电子 与原子相互作用时发现，透过汞 蒸汽的电子流随电子的能量呈现 有规律的周期性变化。该实验证 实了原子内部的能量是量子化的。 为此1925年弗兰克和赫兹共同获 得诺贝尔物理学奖。 本实验以此为基础，结合现 代科学仪器手段重现此实验。
U 注：具体 的总测量 次数及单 位由实际 情况而定 Ip U Ip U Ip
The End
Thanks For Your Attention
1 1
弗兰克 James Franck， 1882—1964
G.赫兹 Gustav Hertz， 1887—1975
实目的
通过测量汞原子的第一激发电 位，来证明原子分立态的存在， 即原子内部能量量子化；
了解弗兰克-赫兹实验的设计思路 和基本的实验方法；
学会这种将宏观的碰撞模型应用 到微观的能量转换机制中的科研 方法。
二、弗兰克-赫兹实验：使用慢电子轰击呈气 态的汞原子，发生碰撞，将电子的能量转化给 汞原子；通过改变加速电压来改变电子的动能 ，并通过电流计来测量电子的数目，具体的实 验装置图如下：
UG1
K
UG2 G2
UP
G1
μA
P UF F
IP
当电子的加速电压U<原子第一激发电势 U1，电子与原子碰撞发生动能与内能的交 换能量很小，可忽略，为“弹性碰撞”， 电子的动能可视为不变； 当电子的加速电压U≥原子第一激发电势 U1，电子与原子碰撞发生动能与内能的交 换，为“非弹性碰撞”，电子碰撞后速度 变慢，能量转化给汞原子的基态电子，发 生第一激发态，原子会辐射光子； 实验中使用的汞原子U1=4.9V，当U=4.9nV 时，将第次出现峰值，下面小动画形象地介 绍其中的机理：
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157 ºC ，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）。
3）作数据处理，作出对应的Ip-V G2k 图，并求出Hg 的第一激发电位（用逐差法）。
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；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图，是否符合实验要求（有六个以上的波峰）。
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 G2k图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。
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2. V p=8.36V V G1=1.62V V G2k=0~100V V f=2.64V求Ar原子的第一激发电位的数据表数据处理：1．求Hg原子的第一激发电位。
弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验---精品资料
院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院
士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。
科学活动：发展原子、分子和原子的量子理论方面。他把经
典力学和量子理论结合起来，从而引起原子理论的革命，对量 子力学建立起了重要作用，1922年获诺贝尔物理学奖。
主要著作:1922年出版《光谱与原子结构理论》、1934年出版
物 理 图 像
电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子 3/13/2019 Dr. Prof. W.N.Pang 16 表现为：“非弹性碰撞”
实验中采用一定入射能量的电子与Ar原子碰撞
3/13/2019 Dr. Prof. W.N.Pang 11
两条共振态 寿命 10 s
8
J=1,相对谱线强度1000，能级11.83 eV J=1,相对谱线强度 500，能级11.63 eV
两条亚稳态 寿命 10 s
3
J=0,相对谱线强度 600，能级11.72 eV J=2,相对谱线强度 300，能级11.55 eV
定时，发现了原子的激发能态和量子化的吸收现象， 并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，
从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们
获得了1925年的诺贝尔物理奖。
弗兰克 - 赫兹实验是完全不同于光谱 实验，是从另一个角度来证明原子存在 分立能级,并能测量出原子一些能级。
3/13/2019
庞文宁 报告箱号：J11 pangwn@
X-37空天飞机
弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
3/13/2019 Dr. Prof. W.N.Pang
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弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
一、弗兰克-赫兹实验的实验方法
弗兰克赫兹实验
由玻尔理论可知，处于基态的原子发 生状态改变时，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（电子不损失能量）；若电子 能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞 （电子把数值为△E= E2 - E1 的能量交给 氩原子，只保留余下的部分）；
E = Em En
（ 1）
对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高 能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。
1914年弗兰克（JFranck）和赫兹（GHertz）用慢电 子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从 而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中 被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的 频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验的结果为 玻尔的原子模型理论提供了直接证据，对玻尔的原子理论 是一个极有力的支持。 玻尔因原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖。 弗兰克与赫兹的实验于1925年获诺贝尔物理学奖。弗 兰克——赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了 重要的作用。
3.Vg测与Vg理=11.61v进行比较，计算出相对误差写 出完整的结果表达式。得出结论（出现吸收峰， 说明原子能量不连续。峰值等间隔，说明同类原 子的第一激发电位相同）。
注意：
1、（旧仪器打开电源前，必须将几个电压的旋钮逆 时针旋到底。各电压值须按照给定值进行设置； 2、VG2设定终止值不要超过90V。 3、手动测试完毕后，尽快将VG2减为零。
差
E = eν
四、实验内容
测量氩原子的第一激发电位。
通过曲线，观察原子能量量子化情况， 证明原子能级的存在，并求出氩原子的第 一激发电位。
五、实验步骤：
《弗兰克赫兹实验》课件
本课件将介绍弗兰克赫兹实验的原理、目的、步骤以及结果分析，旨在向大 家详细介绍这一重要的实验，并展示其影响。
实验介绍
弗兰克赫兹实验是由弗兰克和赫兹于1914年首次进行的，它利用射线与气体 原子的碰撞来研究能量的传递与吸收，揭示了原子层能级结构的重要信息。
实验目的
这个实验的目的是验证玻恩模型中的能级理论，探究原子的能量传递与吸收特性，以及通过对气体的激 发和离子化过程，对原子层能级结构进行研究。
弗兰克赫兹实验的成果与量子 力学理论相结合，促进了量子 力学的研究与应用。
科学研究与实践
借鉴弗兰克赫兹实验的思路和 方法，可以在其他领域进行类 似的实验，推动科学研究的备
搭建弗兰克赫兹实验所需的实验装置，包括真空室、电子枪、气体放电管等。
2
能量变化观察
通过变化加速电压和测量电流的方式，观察气体原子在能量吸收与传递过程中的 特性。
3
数据记录与分析
记录实验数据并进行分析，包括能量峰值的出现、电流的变化等，得出相关结论。
实验结果分析
能量峰值
观察到在某些能量值下，电流会发生显著变 化，形成能量峰值，这证实了原子能级结构 的存在。
2 仪器检查
每次进行实验前，需仔细检查实验装置的各个部件是否正常工作，以确保实验结果的准 确性。
3 精确测量
在进行实验时，要使用精准的测量仪器，并注意测量的准确性，以获取可靠的实验结果。
实验延伸
原子模型研究
利用弗兰克赫兹实验的结论， 可以深入研究原子的结构和性 质，推动原子物理学的发展。
量子力学应用
能级跃迁
实验结果表明，气体原子在能量吸收过程中 发生了能级跃迁，电子从低能级跃迁到高能 级。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告在相对论理论中，以弗朗茨·赫兹（Franz Hertz）为首的一组物理学家所开展的实验，是证明物质粒子的本质、光子的规性，同样也是量子力学创立过程中的重要实验之一。
本文将对弗兰克赫兹实验进行详细讲解。
1. 实验原理弗兰克赫兹实验的实验装置简单，主要由带正电荷的阳极和带负电荷的阴极构成。
阳极和阴极之间有一个几毫米长的气体管道，这个管道中充满一定压强的气体。
当气体管道被加过恰当电压时，电子释放并从阴极发射出来，流经气体管道，不同的电子通过撞击不同的气体分子产生不同的碰撞能量，从而使气体内的原子和分子获得激发和电离。
阳极的电势高于阴极（即进入气体管道的电子具有较高的能量），所以能够通过气体管道运动到阳极。
2. 实验结果在常见的气体实验中，我们会发现许多气体都可分为导电和非导电两类。
实验发现：在气体放置的电势不变时，从阴极发射的电子（称为第一次电子）经气体管道撞击后，是否能到达阳极取决于电子的初始速度，以及气体的种类和压强。
这意味着不同的电子散射非常不同，有些电子的散射轨迹完全符合经典的物理学规律，而有些电子的散射轨迹却完全不符合经典的物理学规律，导致电子无法到达阳极。
3. 实验分析这种不同的电子散射行为启示我们必须从量子角度来考虑电子的散射，这就涉及了量子力学理论的发展。
在经典力学中，物体的运动状态可以通过运动参数（例如位置、速度、加速度等）完全指定。
显然，这种经典的描述方式无法解释电子散射的不确定性。
根据这种不确定性，人们必须使用新的物理理论来处理物质粒子。
这个新的物理理论，即量子力学，就是应运而生。
4. 实验意义弗兰克赫兹实验使人们逐渐认识到了电子的量子本性，从而成为量子力学的重要实验之一。
它证实了量子物理学中波粒二象性的基本含义，即物质粒子在一定条件下既行为为波动，又可以被看作是一群具有确定运动的粒子。
同时，它也证明了在微观世界中，经典力学失去了适用性，需要借助量子力学的方法来进行精确描述。