弗兰克—赫兹实验报告
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。
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。
弗兰克赫兹实验报告,三院
实验目的
通过测定氩原子等元素的第一激发电位（即中
肯电位），证明原子能级的存在。 学习测量微电流的方法。
实验原理
（一）原子能级 （二）原理说明
（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 2 2 eU mv / 2 En Em 时，即可 动能 mv / 2 ，当 实现跃迁。若原子吸收能量 。从基态跃迁到第一激 发态，则称 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 1S0 ，较近的激发态为 由一个6s 电子和一个6p 的电子构 1 3 3 成的 P 单能级和 ， 和 组成 P P 1 1 0 3 的三能级。只有 P 1 为允许自发跃 1 迁态：3P S0 ,发出波长为 1 253.7nm的紫外光，对应能量 3 为 U0 4.9eV 。 P2 和 3 P0 为亚稳态， 1 因 3P S0 的跃迁属于禁戒跃迁， 1 所以通常把 态称为汞的第一激发态。
函数记录仪的X输入负端不能与Y输入的负端连接， 也不能与记录仪的地线（⊥）连接，否则要损坏仪 器。 实验过程中若产生电离击穿（即电流表严重过载现 象）时，要立即将加速电压减少到零。以免损坏管 子。
（二）原理说明
实验原理图如所示，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 U KG加速而获得能量斥电压 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 I A 。
弗兰克赫兹实验报告结论
一、实验概述弗兰克-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与气体原子之间的碰撞，通过测量电子与原子碰撞后的能量变化，证实了原子能级的存在，为量子力学的发展奠定了基础。
二、实验原理根据量子理论，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。
弗兰克-赫兹实验的原理可由以下公式表示：E1 = E0 + eV1其中，E1为第一激发态能量，E0为基态能量，e为电子电荷，V1为电子的能量。
三、实验方法1. 实验装置：实验采用了一个真空管，其中充满了低压气体（如氩气或汞气）。
管中设有阴极、栅极和阳极，通过调节电压使电子在电场作用下加速，并与气体原子发生碰撞。
2. 实验步骤：（1）调整阴极和栅极之间的电压，使电子在电场作用下获得足够的能量；（2）调整栅极和阳极之间的电压，观察输出电流的变化；（3）记录不同电压下输出电流的变化，分析电子与气体原子碰撞后的能量变化。
四、实验结果与分析1. 实验结果表明，当电子能量达到一定值时，输出电流出现明显的峰值。
这表明，电子与气体原子发生了有效的碰撞，使原子从基态跃迁到第一激发态。
2. 通过对实验数据的分析，我们可以得到氩原子和汞原子的第一激发电位。
实验结果显示，氩原子的第一激发电位约为4.9V，汞原子的第一激发电位约为13.6V。
3. 实验结果与波尔理论预测的能级结构相吻合，进一步证实了原子能级的存在。
五、结论1. 弗兰克-赫兹实验证实了原子能级的存在，为量子力学的发展奠定了基础。
2. 实验结果与波尔理论预测的能级结构相吻合，进一步证实了量子理论在原子物理领域的正确性。
3. 弗兰克-赫兹实验对于理解原子结构、电子与原子相互作用以及量子力学的发展具有重要的意义。
4. 该实验方法为后续的原子物理和量子力学实验提供了借鉴和参考。
弗兰克-赫兹实验报告12页
弗兰克-赫兹实验报告12页一、实验简介弗兰克-赫兹实验是用于研究原子中的电子能级的实验，由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年首次进行。
该实验基于能量量子化的概念，对气体中电子的能级结构进行了实验研究。
实验中使用汞气作为气体样品，并观察了在逐渐递增的电压下电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射现象。
本实验在原子物理学以及量子力学发展历史上具有里程碑的意义。
二、实验原理1.能量量子化在原子中，电子所拥有的能量和它的运动状态是量子化的，因此它们只存在于特定的能量状态中。
这些能量状态被称为能级，其能量可以通过光子吸收和辐射来进行变化。
2.汞原子的能级汞原子是大型原子，其中包含80个电子，因此具有复杂的能级结构。
常见的汞原子能级包括原子的基态以及第一、第二、第三激发态等。
在本实验中，我们将重点关注第一激发态，其能量为4.9电子伏。
3.散射现象在电子经过汞原子时，它们将与原子中的电子进行散射，影响它们的移动方向和能量。
通过观察不同电压下电子在汞蒸汽中的散射情况，可以研究电子在汞原子中的散射过程以及不同能级的存在情况。
三、实验步骤1.设备调试首先对设备进行调试，检查电源、电压计、放大器等设备是否正常运行。
2.样品处理使用灯丝对汞样品进行加热，使其升华产生汞性气体。
3.电子管与样品接触将电子管的阳极与汞样品接触，使电子通过样品并进行散射。
4.电压递增逐渐递增电压，观察电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射情况。
5.测量数据通过放大器和电压计来测量电压和电流等数据，记录不同电压下电流和电压之间的关系。
四、数据分析通过测量数据可以得到不同电压下汞蒸汽中散射电子的动能，进一步可以得知电子在不同能级中的能量情况。
例如，在电压为10伏的情况下，当电流增大时，证明散射电子的动能增加，这表明电子已经达到第一激发态能级。
当电压增加到50伏时，电流在急剧减小，这表明散射电子已经失去了能够到达下一个能级所需的能量。
从而可以推断出汞原子存在第一激发态能级。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告姓名： xxx 学号： xxxxxxxxxx 班级：本硕 xxx 班实验日期： xxx 年 10 月 13 日夫兰克-赫兹实验1、测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，从而加深对量子化概念的认识。
2、加深对热电子发射的理解，学习将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。
1911 年，卢瑟福根据α 粒子散射实验，提出了原子核模型。
1913 年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。
电子在能级之间迁跃时伴有电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。
随着英国物理学家埃万斯(E.J.Evans)对光谱的研究，玻尔理论被确立。
1914 年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发。
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。
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。
根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)，这些能量值称为能级。
最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。
( h 为普朗克常数)本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则：ev=E-E(1) 110E 为第一激发能量(第一激发态是距基态最近的一个能态)，E 为基态能量， ev 为该原子第一激发能。
式(1)中， 101 实验原理如图(1)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 VG1K 及与第二栅极 G2 之间的加速电压 VG2K 使电子加速。
实验二十三弗兰克赫兹实验报告
UKg2(V) 7.3 9.0 9.5 10.5 11.4 12.0 12.7 13.3 13.9 14.7 16.7 18.2 18.8 20.0 21.4 22.9 23.4 24.5 26.6 27.2 27.8 28.6 30.0 31.8 32.7 33.4 35.3 36.5
Uout(mV) 9.49 40.93 40.74 23.19 28.30 47.90 74.16 95.57 103.22 57.97 87.24 160.66 147.1 33.26 110.33 197.49 193.60 62.44 154.20 197.50 220.4 189.5 53.0 197.0 238.2 212.4 93.7 196.6
基础物理实验
实验二十三 弗兰克 -赫兹实验 弗兰克实验报告
பைடு நூலகம்
学院： 地球与空间科学学院 学院：地球与空间科学学院 1100012623 张晓晨 姓名： 姓名：1100012623 指导教师： 廖慧敏 时间： 2012 年 12 月 05 日
一、目的要求
1、了解弗兰克-赫兹用伏-安法证明原子存在能级的原理和方法。 2、学习用伏-安法测量非线性元件。 3、学习微电流的测量。
UKg2(V) 37.1 38.1 39.5
Uout(mV) 236.2 245.9 89.2
UKg2(V) 37.3 38.2 40.0
Uout(mV) 244.1 236.0 93.2
UKg2(V) 37.6 38.5
Uout(mV) 252.8 213.0
UKg2(V) 37.7 38.8
Uout(mV) 252.5 170.5
UKg2(V) 37.9 39.2
Uout(mV) 252.3 119.6
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CN人才公文网小编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。
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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
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
三、实验内容及操作步骤
1．正确连接电路；
2．启动预热；
3．手动测量；
4. 调节电压，纪录数据；
5. 绘制A GK
I U
曲线；
6. 数据处理。
UG 2k 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55
IA0000000000
UG 2k 10.51111.51212.51313.51414.515
IA0000000000
UG 2k 20.52121.52222.52323.52424.525
IA 1.82 2.2 2.4 2.633 3.1 3.2 3.3
UG 2k 30.53131.53232.53333.53434.535
IA 2.2 2.4 2.73 3.4 3.8 4.3 4.7 5.2 5.5
UG 2k 40.54141.54242.54343.54444.545 3 2.4 2.1 1.8 1.9 2.33 3.7 4.6 5.3
UG 2k 50.55151.55252.55353.55454.555
IA 5.8 4.9 3.9 2.9 2.2 1.6 1.2 1.3 1.8 2.6
UG 2k 60.56161.56262.56363.56464.565
IA9.69.28.57.6 6.6 5.4 4.3 3.1 2.1 1.4
UG 2k 70.57171.57272.57373.57474.575
IA10.410.911.211.311.110.710.19.28.1 6.9
UG 2k 80.58181.58282.58383.58484.585
IA7.18.59.410.511.311.912.312.612.612.3
UG 2k 90.5 91 91.5 92 92.5 93 93.5 94 94.5 95 IA 3.7 4 4.9 5.8 6.9 8.2 9.2 10.2 11 11.9 UG 2k 100.5 101 101.5 102 102.5 103 103.5 104 104.5 105 IA 9.5 8.4 7.4 6.7 6.2 6.1 6.2 6.6 7.2 8.1 UG 2k 110.5 111 111.5 112 112.5 113 113.5 114 114.5 115 IA
14.8
14.7
14.2
13.7
13.1
12.3
11.5
10.8
10.1
9.7
A GK I U 曲线 数据处理：
U1=26.5V U2=37.0V U3=48.5V U4=60.5V U5=71.5V U6=83.5V U7=96.0V U8=109.0 用逐差法计算第一激发电位可得：
Uo=[(U8-U4)+(U7-U3)+(U6-U2)+(U5-U1)]/(4*4)
=[(109.0-60.5)+(96.0-48.5)+(83.5-37.0)+(71.5-26.5)]/(4*4) =11.71875V ≈11.7V
四、思考题
能否用氢气代替氩气，为什么？
答：不能；氢气是双原子分子，激发的能级是分子能级而非原子能级。
1.为什么I-U曲线不会从原点开始？
答：电子由热阴极发出，刚开始加速电压主要用于消除阴极电子的散射的影响，后来电子加速，使其具有了较大的能量冲过反向拒斥电场而到达板极形成板流，并为微电流计所检验出来，故曲线不是从原点开始的。
2.为什么T不会降到零？
答：随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子相碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场到达板极，这时电流又开始上升，不致下降到零。
3.为什么I的下降不是陡然的？
答：因为K极发出的热电子能量时服从麦克斯韦统计分布规律，因此极电流下降不是陡然的。
4.在F-H实验中，得到的I-U曲线为什么呈周期性变化？
答：当G2k间的电压达到氩原子的第一激发电位U0时电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量给了氩原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被驳回第二栅极，所以，板极电流讲显著减小。
随着第二栅极电压的不断增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子想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，这时电流又开始上升，直到G2K间的电压是二倍的第一激发电位时，电子在UG2k间又会因第二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降，同理，凡UG2k 之间电压满足：UG2k=nU0(n=1,2,3...)时，板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的I-U曲线。
5.在F-H管的I-U曲线上的第一个峰的时候，是否对应于氩原子的第一激发电位？
答：不是，实际的F-H管的阴极和栅极往往是不同的金属材料制成的，因此会产生接触电位差。
而进入加速区的电子已经具有一定的能量，使真正加到电子上的加速电压不等于UG2k。
这将影响到F-H实验曲线第一个峰的位置，是它左移或右移。