夫兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验实验报告
课程名称：大学物理实验（二）
实验名称：弗兰克-赫兹实验
图2.1 弗兰克-赫兹管原理图
设氩原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2
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则电子与氩原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。
子与氩原子就会发生非弹性碰撞，氩原子将从电子的能量中吸收相当于从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。
位差为U0则
eU0=E2−E1
图3.1弗兰克-赫兹仪实物图
对应的V G2是内部的锯齿电压，作用是急速电压自动变化。
对应于示波器观测模
I P(×10-8A)
U G2(×
图6.1 加速电压与电流的关系图
可以发现电流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，且两相邻谷点(或峰尖)即为氩原子的第一激发电位值。
同时，可以读出峰谷的横坐标值。
峰的横坐标值如下表：
表6.1 加速电压与电流的关系图的峰横坐标记录表
第二个峰X3第三个峰X5第四个峰X7第五个峰X9
2.90 4.08 5.25 6.46
表6.2 加速电压与电流的关系图的锋横坐标记录表
第二个谷X4第三个谷X6第四个谷X8第五个谷X10
3.52
4.66
5.84 7.04
算出氩原子的第一激发电位。
物理实验之弗兰克-赫兹实验
物理实验之弗兰克-赫兹实验弗兰克-赫兹实验是物理学中的经典实验之一。
它的目的是研究原子的结构。
据研究，原子是由电子，质子和中子组成的。
迄今为止，人们已经知道了原子的结构和组成；然而，在20世纪初，这个问题仍然是未解决的。
弗兰克-赫兹实验为研究原子组成和结构的理论提供了重要的实验证据，并为导致量子力学的发展做出了巨大的贡献。
弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年在法兰克福大学进行的。
该实验的设备是一个长长的玻璃管，该管内部有空气和水银蒸气。
两个电极置于管的两端，并且通过这些电极施加电压。
电压的值非常小，只有几伏特，这足以使大约1cm的空气分子缩短350倍的距离，从而使它们成为离子。
离子化后的分子可以很容易地被带电的电子撞击，从而被激发和解离。
当电流流经玻璃管时，可以看到荧光在管内产生。
这些荧光在玻璃管的长度方向上呈现出明显的不均匀性，因此称其为荧光不稳定的阶梯状。
最初，弗兰克和赫兹发现，当电压过低时，无论电压增加了多少，都看不到荧光的变化；而当电压增加到一定程度时，荧光的形式突然发生了变化。
随着电压的增加，荧光不再呈现出阶梯状，而是变成了均匀的条纹。
这种现象表明，在一定范围内，电压对原子的结构产生了明显的影响。
进一步的研究表明，当电压增加到一定水平时，玻璃管里的荧光又重新呈现出了阶梯形状。
这是因为这时电子的能量已经足够大，能够克服空气分子中的电子吸收势垒，从而到达下一个空能态。
电流在这种情况下变成了一个突发的脉冲，因为所有的电子都同时跳到了相同的能量级。
弗兰克-赫兹实验揭示了原子结构的本质，并为发展量子力学及以后的能量及频率论发展奠定了基础。
该实验对现代物理学的发展产生了深远的影响。
今天，该实验被广泛用于研究原子结构、半导体和太阳能电池等领域，为人们理解自然界和改进技术带来极大的帮助。
弗朗克赫兹实验
实验一 夫兰克－赫兹实验1914年，弗兰克（J. Franck ）和赫兹（G. Herts ）在研究充汞放电管的气体放电现象时，发现穿过汞蒸气的电子流随电子的能量显现出周期性变化，同年又拍摄到汞发射光谱的253.7nm 谱线，并提出了原子中存在着“临界电位”。
后来，弗兰克等人改进了实验装置，测得了亚稳能级和较高的激发能级，进一步证实了原子内部能级是量子化的，从而确证了原子能级的存在，为早一年玻尔提出的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。
他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。
Ⅰ实验目的1. 本实验通过测定汞原子和氩原子的第一激发电位，证明原子中能级的存在；2. 了解弗兰克和赫兹实验研究原子内部能级量子化的基本思想和方法；3. 了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
Ⅱ 实验原理1. 原子能级按照玻尔理论，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。
原子在能级间跃迁时，要发射或吸收一定频率的光子。
原子与具有一定能量的电子发生碰撞时，吸收电子的能量，也可以从低能态跃迁到高能态。
弗兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞而实现这种跃迁的。
为实现原子从低能态E n 向高能态E m 的跃迁，若与之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2n m mv 21eV E E E ==−= 时，电子将全部动能交换给原子。
由于E m －E n 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（或中肯电位）。
因此，第一激发电位V 所对应的就是第一激发态与基态的能量差。
处于激发态的原子是不稳定的，它将以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能态。
如果电子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的V 称为该原子的电离电位。
最容易用电子和原子碰撞的方法来观测能级跃迁的原子是Hg ，Ne ，Ar 等一些惰性气体。
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。
物理实验之弗兰克-赫兹实验
物理实验之弗兰克-赫兹实验弗兰克-赫兹实验是一项具有重要意义的物理实验，它为我们理解原子结构和电子能级的研究提供了重要的证据。
在这篇3000字的文章中，我将为你详细介绍弗兰克-赫兹实验的原理、过程和实验结果，希望能帮助你更好地理解这一实验。
弗兰克-赫兹实验于1914年由德国物理学家詹金斯·弗兰克和恩斯特·赫兹完成。
他们使用的实验装置主要包括一个玻璃管和一个甘汞蒸气灯。
在这个实验中，他们使用了高压电源将电流通过一个附带气体的玻璃管中，通过测量电流和电压的变化来观察气体原子中电子的行为。
实验的过程如下：首先，弗兰克-赫兹实验首先需要将气体灌入玻璃管中，并确保玻璃管处于真空状态。
然后，一个电压源与玻璃管相连接，通过调节电压源上的电压，使电流通过玻璃管中的气体。
这样，气体原子中的电子就会接收到能量，并跃迁到较高的能级。
当电子跃迁到较高的能级时，通过电流变化观察到的现象就是电压－电流图像中出现的突变。
这是因为跃迁能级需要一定的能量，只有当电压达到一定值时，电子才能够跃迁到更高的能级。
而当电压低于这个临界值时，电子无法跃迁，导致电流没有明显变化。
通过不断地改变电压值，并相应地测量电流的变化，我们可以得到一系列的跃迁能级。
这些跃迁能级的数值与原子的能级结构有关。
通过分析这些数据，我们可以了解到电子在原子中的排布情况以及原子的能级结构。
弗兰克-赫兹实验的实验结果为后来的量子力学理论的发展奠定了基石。
这个实验证实了电子只能在特定的能级之间跃迁，而不能在连续的能级之间跃迁。
这与经典物理学中电子在连续能级上运动的观点不同，它表明了原子的能级结构具有离散的性质。
这个观点后来成为了量子力学的基础。
通过弗兰克-赫兹实验，我们还可以了解到不同种类的气体可见的跃迁能级是不同的。
这为我们进一步研究气体的组成和性质提供了重要的线索。
实际上，弗兰克-赫兹实验的成功也鼓励了其他科学家进行类似的研究，从而推动了原子物理学的发展。
弗兰克赫兹实验报告文库
一、实验背景弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家W.弗兰克和G.赫兹于1914年进行的，该实验旨在研究电子在电场作用下的运动规律，并证明原子能级的存在。
实验通过测量电子与原子碰撞时的能量交换，揭示了原子内部结构的量子化特性。
二、实验目的1. 测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在；2. 加深对量子化概念的认识；3. 学习电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。
三、实验原理1. 原子能级理论：根据玻尔理论，原子只能长时间地处于一些稳定的状态，称为定态。
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。
原子的能量只能从一个定态跃迁到另一个定态。
2. 电子与原子碰撞：当电子在电场作用下加速时，会获得动能。
当具有一定能量的电子与原子碰撞时，会发生能量交换。
若电子传递给原子的能量恰好等于原子从一个定态跃迁到另一个定态所需的能量，则原子会被激发。
3. 激发电势：原子从一个定态跃迁到另一个定态所需的能量称为激发电势。
在本实验中，测量氩原子的第一激发电势，即从基态跃迁到第一激发态所需的能量。
四、实验装置1. 夫兰克-赫兹管：由阴极、阳极、栅极和充有氩气的真空管组成。
阴极发射电子，阳极接收电子，栅极控制电子流。
2. 加速电压：通过调节加速电压，使电子在电场作用下获得不同动能。
3. 电流计：测量电子流过夫兰克-赫兹管时的电流。
4. 数据采集系统：用于记录电流与加速电压的关系。
五、实验步骤1. 将夫兰克-赫兹管接入实验电路，调整加速电压，使电子获得不同动能。
2. 测量电子流过夫兰克-赫兹管时的电流，记录数据。
3. 改变加速电压，重复步骤2，得到一系列电流与加速电压的关系曲线。
4. 分析数据，确定氩原子的第一激发电势。
六、实验结果与分析1. 实验结果显示，电流与加速电压的关系曲线呈阶梯状。
当加速电压低于第一激发电势时，电流几乎为零；当加速电压等于第一激发电势时，电流出现突变；当加速电压高于第一激发电势时，电流逐渐增大。
弗兰克-赫兹实验
弗兰克 (James Franck ,1882-1964)
G.赫兹 (Gustav Hertz ,1887-1975)
弗兰克-赫兹实验
• 该实验用阴极射线（电子）轰击原子，通 过分析电子的能量损失，来推断原子的能 级结构。 • 实验轰击的是汞原子气体。 • 为了理解碰撞效果，需要了解气体分子运 动论的知识，例如自由程、蒸气压、固体 热电子发射，以及原子结构的量子性。
低激发实验曲线
实验装置照片
F-H-Ⅱ实验仪
思考题
• 分析电子与气体原子碰撞，可能产生的物 理过程，哪些过程是能够被观察到的？ • 温度对实验曲线有什么影响？控制极电压 对曲线有什么影响？ • 温度对碰撞激发类型是如何调控的？ • 观察汞原子低激发曲线要求温度控制在什 么范围？观察高激发和电离现象，温度又 控制在什么范围？ • 设计观察电离现象的电路图。
激发类型与原子的浓度
• 电子一面加速一面与原子碰撞
• 相邻两次碰撞的距离决定着碰撞的类型
若干公式
• 饱和蒸气压： lg P 10.125 3200/ T
• 自由程： k BT / r 2 P • 获得能量： W eE • 电子能量损失： E E2 E1
实验原理图
原子结构的量子性
E
n=3 n=1 n=2
E3 E2 E1
• 弹性碰撞——电子没有能量损失。 • 非弹性碰撞——电子一次损失相当于原子 两能级差的能量，原子从基态被激发到高 能级，甚至电离。电子损失比较大的能量。 • 被激发的原子通过自发辐射或者碰撞辐射， 退激发，跃迁回到基态，以光的形式辐射 出能量，其中就有紫外光。
弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
一、弗兰克-赫兹实验的实验方法
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang
3
2010/5/1
1925
Dr. Prof. W.N.Pang
4
玻尔理论基于的三个物理学基础
二、实验中的重点概念及物理图像
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang 31
上课时间：下午1:30--4:50
晚上6:30--9:50
切勿产生浮躁情绪
谢 谢
五、实验报告及数据处理要求
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang 32
五、实验报告及数据处理要求
实验报告要求
1)拒收电子版； 2)数据处理过程严谨。
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang 15 2010/5/1
物 理 图 像
电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子 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
电子由阴极K发 出，阴极K和控 制栅极G1之间的 加速电压UG
1s22s22p63s23p6 1S0
Dr. Prof. W.N.Pang
简单叠加
14 这里的简单叠加 仅为示意，不严谨！
当电子的加速电压UA<原子第一激发电势Ug 电子与原子碰撞过程中无能量的交换。
当电子的加速电压UA ≥原子第一激发电势Ug 电子与原子碰撞发生能量交换。
物 理 图 像
碰撞前后速度不变，表现为“弹性碰撞”
R
出入射电子在非弹性碰撞过程中能量损 失的情况。
弗兰特赫兹实验实验报告
一、实验目的1. 通过测量汞原子的第一激发电位，验证原子能级的存在。
2. 加深对量子化概念的理解，提高对电子与原子碰撞微观过程的认知。
3. 学习将电子与原子碰撞的微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。
二、实验原理弗兰克-赫兹实验基于玻尔的原子能级理论。
根据玻尔理论，原子只能长时间停留在一些稳定的状态，即定态能级。
当电子受到外界能量（如加速电压）的作用时，会从低能级跃迁到高能级。
若电子的能量恰好等于两个能级之间的能量差，则跃迁成功；若能量不足，则电子无法跃迁。
实验过程中，电子在阴极和栅极之间加速，当电子的能量达到一定值时，会与汞原子发生碰撞。
若电子的能量恰好等于汞原子的第一激发电位，则汞原子被激发到第一激发态，产生光子。
光子的能量等于两个能级之间的能量差。
通过测量光子的能量，可以确定汞原子的第一激发电位。
三、实验仪器1. 弗兰克-赫兹管（F-H管）：由阴极、第一栅极、第二栅极和板极组成，充有汞蒸气。
2. 加热炉：用于加热F-H管，保持汞蒸气饱和蒸气压。
3. 温控装置：用于控制加热炉的温度。
4. F-H管电源组：提供F-H管各极所需的工作电压，包括灯丝电压、第一栅极电压和第二栅极电压。
5. 扫描电源和微电流放大器：提供加速电压，用于手动测量或函数记录仪测量。
6. 微机X-Y记录仪：用于记录实验数据。
四、实验步骤1. 将F-H管置于加热炉中，调节温度，使汞蒸气饱和蒸气压稳定。
2. 打开F-H管电源组，调整灯丝电压、第一栅极电压和第二栅极电压。
3. 连接扫描电源和微电流放大器，调整加速电压。
4. 启动微机X-Y记录仪，记录实验数据。
5. 改变加速电压，重复实验步骤，记录不同电压下的电流值。
6. 根据实验数据，绘制加速电压与电流的关系图。
五、实验结果与分析根据实验数据，绘制加速电压与电流的关系图。
在图上，可以发现一个明显的峰值，对应汞原子的第一激发电位。
该峰值表示当电子的能量恰好等于汞原子的第一激发电位时，电子与汞原子发生碰撞，汞原子被激发到第一激发态。
弗兰克—赫兹实验
弗兰克—赫兹实验弗兰克-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，能观测到汞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。
1913年丹麦物理学家玻尔（N ❿Bohr ）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。
该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量E m ）向低能态（能量E n ）跃迁时才辐射。
辐射能量满足∆E = E m -E n （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年德国物理学家弗兰克（J ❿Franck ）和赫兹（G ❿Hertz ）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理论提供了直接证据。
玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获此奖。
【实验目的】1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。
2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。
3、测量氩原子的第一激发电位；4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；【实验器材】智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器【实验原理】夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K ，阳极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 KU 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 2GAU ，就能到达阳极形成阳极电流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。
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夫兰克-赫兹实验20世纪初，在原子光谱的研究中确定了原子能级的存在。
原子光谱中的每根谱线就是原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射形成的。
原子能极的存在，除了可由光谱研究证实外，还可利用慢电子轰击稀薄气体原子的方法来证明。
1914年夫兰克-赫兹采用这种方法研究了电子与原子碰撞前后电子能量改变的情况，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立态的存在。
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假设中的频率定则。
夫兰克-赫兹实验的结果为玻尔的原子模型理论提供了直接证据，他们获得了1925年度的诺贝尔物理奖。
［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。
［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(图1)。
对于不同的原子，这些轨道上的电子数分布各不相同。
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(如图1中从Ⅰ到Ⅱ)，原子就处于受激状态。
若轨道Ⅰ为正常状态，则较高能量的Ⅱ和Ⅲ依次称为第一受激态和第二受激态，等等。
但是原子所处的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i E (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： m n E E hv -= (1)图1 原子结构示意图（玻尔模型）其中346.6310h 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，其余的能量仍由电子保留。
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v 满足下式R eU hv = (2)式中R 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。
图2夫兰克-赫兹实验线路原理图夫兰克-赫兹实验的原理可用图2为证明。
其中夫兰克-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提供U G 。
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 间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸气朝栅极2G 运动，由地阴极到栅极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 和板极P 之间建立一拒斥场，到达2G 附近而能量小于R eU 的电子不能到达板极。
板极电路中的电流强度P I 用微电流放大器A 为测量，其值大小反映了从阴极到达板极的电子数。
实验中保持R U 和C U 不变，直接测量板极电流I P 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 等于或租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 。
这些损失了能量的电子不能越过U R 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 前被加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而以达板极P ，这时电流又开始上升。
直到2G 与K 间的电压是二倍于汞原子的第一激发电位(2U g )时，电子在G 2附近又会因第二次非弹必碰撞而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到达板极，电流I p 再度下降。
同样的道理，随着加速电压的a U 增加，电子会在栅极2G 附近与汞原子发生第三次、第四次、……非弹性碰撞，因而板极电流I p 就会相应下跌，形成具有规则起伏的I P -a U 曲线。
图3是利用微电流放大器测得的汞原子的实验曲线，两峰之间的电位差等于汞原子第一激发电位。
本实验的任务就是要测出这条曲线，并由此定出汞原子的第一激发电位。
实验中板极电流I p 的下降并不是完全突然的，其峰值总有一定的宽度。
这是由于从阴极发出的电子初始能量不完全一样，服从一定的统计规律。
另外由于电子与原子的碰撞有一定的几率，当大部分电子恰好在栅极2G 前使汞原子激发而损失能量时，显然会有一些电子逃避了碰撞而直接到达板极，因此板极电流并不降到零。
图3夫兰克-赫兹实验曲线(汞蒸气管)［实验仪器］夫兰克-赫兹实验仪实验用线路如图2所示。
所用仪器由夫兰克-赫兹管、加热炉、温度控制仪、稳压电源、微电流放大器和扫描电源六个部分构成。
各仪器的特点及操作注意事项介绍如下：(1)夫兰克-赫兹管。
这是一个具有双栅结构的柱面的充汞四极管。
其工作温区为100℃～210℃，在小于180℃时可获得明显的第一谱峰。
图4加热炉外形面板图1—板极；2—接地端；3—栅板G2;4—灯丝；5—灯丝阴极；6—控制栅极G1;7—感温探头；8—加热炉电源交流220V(2)加热炉。
加热功率约400W 。
炉内温度均匀，保温性好。
面板为实验用接线板，夫兰克-赫兹管的各电极均已连到面板上各相应接线端。
背面有玻璃观察窗，可观察到受激原子从高能态返回到正常态时所辐射的光。
加热炉外形如图4所示。
(3)温度控制仪，它由交流控温电桥、交流放大器、相敏放大器、控温扩行继电器四部分组成。
控温范围20℃～300℃，控温精度±1℃，同时也能指示被控温度大小。
(4)稳压电源。
稳压电源输出分为三组，均可调节。
第一组作为灯丝电压，第二组作为拒斥场电压，第三组作为控制栅电压。
(5)扫描电源。
用以改变加速电压U A 。
输出波形：锯齿波，三角波。
扫描方式：手动，自动。
扫描电源上有电压表指示扫描电压大小。
为使读数精确，同时再外接一个量程200V 的数字电压表，指示该电压大小。
(6)微电流放大器。
该仪器是利用高输入阻抗运算放大器制成的I-U 变换器，可测量10-10A ～10-8A 的电流，在本实验中用来测量板极电流I p 。
使用时电路中接入一个微安表，指示被测电流的相对大小。
测量开始前调节“调零”旋纽，使电流表指针指零。
由于电流为电子流，应将极性开关板到“一”。
微机控制的夫兰克-赫兹实验数据采集系统系统选用的数据采集卡是AC 1095多功能12位A/D 接口板，它具有16路模拟输入，输入程控的放大倍数G =1、2、5、10，单极性输入幅度0V ～10V ，采样速率50kHZ ，1路12位D/A 转换器等多种功能。
图5数据采集系统框图系统中微电流放大器与A /D 接口板间加了一个光耦合隔离器，以解决电流数据I p 及电压数据U A 不共地的问题，否则A /D 采到的信号常会出现乱码。
在选定实验条件后，整个实验过程由微机控制，在接口板D/A 端的输出信号去控制扫描电压，A /D 端采样，每次要采回两个实验数据，即加速电压a U 和板极电流I p 。
因加速电压较高，进入采集板的a U 是经过分压的，范围在0V ～10V 。
因此要准确地知道加到管子上的实际电压a U 是多少，就需要对采集进行标定。
实验时请阅读实验室内的详细说明。
［实验步骤及注意事项］(1)接线和检查线路：参考图2电路接线，将各电压调节旋钮反时针方向旋到底使电压最小；检查控温仪与加热炉之间连接线。
请教师检查线路后，方可通电。
(2)加热炉和微电流放大器通电；根据实验室给定的炉温控制值，在控温仪上预置炉温值，接通加热炉、控温仪电源，同时开启微电流放大器的电源。
(3)摸索实验条件，定性观察I p -a U 变化情况：开启稳压电源和扫描电源。
根据给定的U f 、U G 、U R 控制值，先预置一组数。
扫描电源置“手动”。
缓慢增加a U ，观察板极电流I p 的变化情况，此时应能看到I P 的起伏变化。
分别改变U f 、U G 、U R 及炉温值，观察每个参量对I P -U A 曲线的影响。
最后，要求随着U A 的增加能观察到I P 有8～10个峰，峰与谷的差别应比较明显，最大峰值应接近于电流表的满量程处，但又不过载，并且在三五分钟时间内I p -a U 变化规律无明显改变。
在改变条件过程中，要注意以下几点：①每个参量不能超过最大允许值；②电流表不要过载；③U f 和炉温改变时，对I p 的影响有一段滞后时间，不要一下子改变很多。
每改变一次，等2min ～3min 再观察I P 的变化；④若电流I P 迅速增大，表明汞原子已明显电离，此时应立即减小U A ；⑤有时扫描电源也可置于“知动”，周期选用“40s ”。
(4)测量I P -a U 线：在得到了满足3中要求的最佳条件，并待I P -a U 变化规律也已达稳定后，可开始逐点测量数据。
利用“手动”扫描方式，缓慢增加U A ,从0V 到60V 左右，逐点记录a U 及相应的I P 值。
利用“手动”扫描方式，缓慢增加a U ，从0V 到60V 左右，逐点记录a U 及相应的I P 值，合理选择测量间隔，峰值点附近测量点要多些。
(5)利用“自动”扫描方式和数据采集系统获得I P -a U 曲线。
［数据处理及误差分析］由前面的讨论可知，I p -a U 曲线上相邻两峰值之间的电位差就是汞原子的第一激发电位U g 。
实验得到几个峰值，用逐差法或线性拟合方法处理数据，可使U g求得更准确。
计算方法自拟。
关于U g的误差，应从测量过程中的随机误差和外接电压表的仪器误差两方面来考虑。
计算出△U g值。
数字电压表精度为0.1%U+0.1V。
思考题1.为什么I P-U P呈周期性变化?2.拒斥电压U R增大时，I P如何改变?3.灯丝电压U f改变时，夫兰克-赫兹管内什么参量将发生改变?4.炉温的大小直接影响管内什么参量?附录：智能夫兰克－赫兹性能简介该仪器用于测量氩原子的激发电位。
观察其特殊的伏安特性现象。
研究原子能级的量子特性。
它由夫兰克—赫兹管、工作电源及扫描电源、微电流测量仪三部份组成。