弗兰克 赫兹实验
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。
实验 弗兰克—赫兹实验
99实验 弗兰克—赫兹实验1914年弗兰克（F ．Franck ）和赫兹（G ．Hertz ）在研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，间隔为4.9eV 并拍摄到与能量4.9eV 相对应的光谱线2537Å。
对此，他们提出了原子中存在的“临界电势”的概念：当电子能量低于与临界电势相应的临界能量时，电子与原子碰撞是弹性的，而当能量达到这一临界能量时，碰撞过程由弹性变为非弹性，电子把这份特定的能量转移给原子使之受激，原子退激时再以特定的频率为光量子形式辐射出来，电子损失的能量ΔE 与光量子能量及光子频率的关系为 ΔE = eV = h νF-H 实验证实了原子内部能量是量子化的，为玻尔于1913年发表的原子理论提供了坚实的实验基础。
1920年弗兰克及其合作者对原先实验装置作了改进提高了分辨率测得了汞的除4.9eV 以外的较高激发能级和电离能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的。
1925年弗兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。
通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，扩大弹性碰撞和非弹性碰撞的知识，学习和体验弗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试验思想和实验方法。
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： eV 1=21m e v 2 = E 1 - E 0 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）。
进行F-H 实验通常使用的碰撞管是充汞的。
这是因为汞是原子分子，能级较为简单，汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸气压很低，加热就可改变它的饱和蒸气压，汞的原子量较大和电子作弹性碰撞时图1 F-H 实验线路连接图几乎不损失动能，汞的第一激发能级较低— 4.9eV，因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值，当然除充汞蒸气以外，还常用充惰性气体如氖、氩等的，这些碰撞管温度对气压影响不大，在常温下就可以进行实验。
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
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。
弗兰克赫兹实验
1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当 年的诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。 夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要 手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传 统的经典实验。
(JAMES FRANCK)
(GUSTAV HERTZ)
原子内部能量量子化证据: (1) 原子光谱分立性 ; (2) 夫兰克-赫兹实验
IA
(nA)
e c a b o o V1 d V2 V3
V4
V5
V6
VG2K
图2-2-4 夫兰克—赫兹管的IA～VG2K曲线
实验内容及操作步骤
实验内容
用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一 激发电位，并做比较。 分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F—H实验曲线的影 响。 了解计算机数据采集、数据处理的方法。
E2
h
h
hc
E1
hc 1.24 AKeV 2530 A E 4.9eV
E
实验＝2537A
实验与理论符合非常好
二. 较高激发电势的测定
1. 实验装置及实验原理
1920年, Franck改进实验装置
K G1
Hg
K
Hg
GA
V
0.5 V
A
G2 A
K：旁热式热阴极，均匀发 射电子，提高能量测量精度
一. 第一激发电势的测定
1.实验目的：验证原子能量的量子化。 2.实验原理（结合装置介绍）：
GA
Hg
K
K：热阴极，发射电子
KG区：电子加速，与Hg原 子碰撞
A
0.5 V
V
夫兰克-赫兹实验装置
GA区：电子减速，能量大 于0.5 eV的电子可克服反向 偏压，产生电流
弗兰克赫兹实验报告
一、实验名称：弗兰克-赫兹实验二、实验目的：(1) 用实验的方法测定汞或者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。
三、实验原理：根据波尔的原子模型理论， 原子中一定轨道上的电子具有一定的能量。
当原子吸收或者放出电 磁辐射时或者当原子与其他粒子发生碰撞时， 原子状态会发生改变。
改变过程中原子的能量变 化不是任意的，而是受到波尔理论的两个基本假设的制约，即定态假设和频率定则。
由波尔理论可知， 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 子赋予原子以临界能量，剩余能量仍由电子保留。
本仪器采用 1 只充氩气的四极管，其工作原理图如下：当灯丝(H)点燃后，阴极(K)被加热，阴极上的氧化层即有电子逾出(发射电子)，为消 除空间电荷对阴极散射电子的影响， 要在第一栅极 (G ) 、阴极之间加之一电压 U (一栅、 阴电压) 。
如果此时在第二栅极 (G 2 ) 、阴极间也加之一电压 U G2K (二栅、 阴电压)， 发射的电子在电场的作用下将被加速而取得越来越大的能量。
起始阶段，由于较低，电子的能量较小，即使在运动过程中与电子相碰撞(为弹性碰撞)只 有弱小的能量交换。
这样，穿过 2 栅的电子到达阳极(A) [也惯称板极]所形成的电流(I ) 板流(习惯叫法，即阳极电流)将随2 栅的电压 U 的增加而增大，当 U 达到氩原子的第 一激发电位(11.8V)时，电子在2 栅附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。
电子把 加速电场获得的全部能量传递给了氩原子， 使氩原子从基态激发到第一激发态， 而电子本身 由于把全部能量传递给了氩原子， 它即使穿过 2 栅极， 也不能克服反向拒斥电场而被折回 2 栅极。
弗兰克—赫兹实验
弗兰克—赫兹实验实验题目：弗兰克—赫兹(F —H)实验实验原理：1 跃迁原理根据波尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一个定态相应一定的能量常称为能级，其数值彼此分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子。
然而，原子若与一定能量的电子发生碰撞，也可以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和原子的碰撞来实现这种跃迁。
通过控制加速电压U ，来控制电子的动能221mV ，当221122n m eU mV E E mV '==-+ 式中n m E E ,表示碰撞前后能级的能量，',V V 指碰撞前后电子的速度。
如果,1,0==n m跃迁到第一激发态；如果n ≤2∞<，跃迁到较高激发态；如果n →∞，此时原子被电离。
2 汞原子的能级结构本F —H 实验使用的碰撞管是充汞的，因为汞是单原子分子，能级较为简单。
汞原子是由原子核和核外80个电子组成的，在满的支壳外有两个价电子，在正常情况下，这两个电子都处于6s 态，所以它的基态组态为6s 2及基态的LS 组态为1S 0 。
处于激发态时，一个6s 电子可能被激发到较高的61P 1，63P 0 1 2， 61D 1，63D 1 2 3，61F 1，63F 2 3 4，71S 0等能量状态，甚至电离，而另一个电子仍留在6s 态，具体能级如图1所示。
且汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸汽压很低，加热就可改变它的饱和蒸汽压，汞的原子量较大与电子作弹性碰撞时，电子损失的能量极小，且电正性的汞也不容易和电子亲和而形成负离子，可以用来研究电子和原子碰撞的规律。
3 充汞的夫兰克—赫兹管的内部原理充汞的夫兰克—赫兹管如图2所示。
电子由热阴极发出，在整个实验过程中，阴极K 和第一栅极G 1之间为加速区，第一栅极G 1和第二栅极G 2为碰撞区（测第一激发电位同时也是加速区），第二栅极G 2和极板A 为反向区。
管内的总体电位如图3所示。
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弗兰克—赫兹实验
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。
夫兰克——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。
一、实验目的
1、测量氩原子的第一激发电位；
2、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；
3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。
二、实验仪器
DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪，BY4320G 示波器 三、实验原理
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
图1弗兰克-赫兹实验原理图
灯丝电压
态与基态的能级差∆E ＝E 2-E 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 G 2
A 则不能达到
板极。
由此可见，若eU G 2K <∆E ，则电子带着e U G 2K 的能量进入G 2-A 区域。
随着U G 2K 的增加，
电流I 增加（如图2中Oa 段）。
若e U G 2K ＝∆E 则电子在达到G 2处刚够临界能
量，不过它立即开始消耗能量了。
继续增大U G 2K ，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U G 2K ，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e U G 2K >n ∆E 则电子在进入G 2-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。
相邻峰值之间的电压差∆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级差
∆E= e ∆U （2）
四、实验内容
测量原子的第一激发电位。
通过2G K
U I 曲线，观察原子能量量子化情况，并求出氩原子的第一
激发电位。
五、实验操作步骤
1．将面板上的四对插座（灯丝电压，2G
K
U ：第二栅压，1G
K
U ：第一栅压，2G
A
U ：拒斥电压）按
面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。
微电流检测器已在内部连好。
将仪器的“信号输出”与示波器的“CH1输入（X ）”相连；仪器的“同步输出”与示波器的“外接输入”相连。
注意：各对插线应一一对号入座，切不可插错！否则会损坏电子管或仪器。
2．打开仪器电源和示波器电源。
3．“自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动 ”灯点亮。
图2弗兰克-赫兹实验2G 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
4．电流档为10-9A 、10-８A 、10-７A 和10-６A 、开机时位于“10-9
A ”本实验保持此档不变。
5．按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压1
G K U 、拒斥电压2G
A
U 、电流量程I 预置相
应值。
按下相应电压键，指示灯点亮，按下“∧”键或“∨”键，更改预置值，若按下“<” 键或“>” 键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。
6．电子管的加载。
同时按下“set ” 键和“>” 键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压等四组电压按预置值加载到电子管上，此时“加载 ”指示灯亮。
注意：只有四组电压都加载时，此灯才常亮。
7．四组电压都加载后，预热十分钟以上方可进行实验。
8．按下“自动/手动”键，此时“自动 ”灯点亮。
此时仪器进入自动测量状态。
9．在自动测量状态下，第二栅压从0开始变到85V 结束，期间要注意观察示波器曲线峰值位置，并记录相应的第二栅压值。
10．自动状态测量结束后，按“自动/手动”键到“手动”状态，等待5分钟后进行手动测量。
11．改变第二栅压从0开始变到85V 结束，要求每改变1V 记录相应I 和2G K
U .
值，注意：在示波器所观察的曲线峰值位置附近每0.2V 记录相应I A 和2G
K
U 值，不少于10个点。
12．实验完毕后，同时按下“set ”键 +“< ”键，“加载 ”指示灯熄灭，使四组电压卸载。
13．关闭仪器电源和示波器电源。
六、数据处理要求 1.作出2G
K
U I 曲线，确定出I 极大时所对应的电压2G K U .
2.用最小二乘法求氩的第一激发电位，并计算不确定度。
2G K U a n U =+∆ (3)
式中n 为峰序数，∆U 为第一激发电位。
思考题：
1. 2G
K
U I 曲线电流下降并不十分陡峭，主要原因是什么？
2.I 的谷值并不为零，而且谷值依次沿2G
K
U 轴升高，如何解释？
3.第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电位？原因是什么？
4.写出氩原子第一激发态与基态的能级差。