弗兰克-赫兹实验的数据及其生成曲线
弗兰-克赫兹(F-H)实验实验报告
VG2K V
14
15
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20
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24
25
26
IA nA
1.2 1.8 2.2 2.3 2.2 1.9 1.4 1.1 1.0 1.7 3.9 6.9 9.5
VG2K V
27
28
29
30
31
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33
34
35
36
37
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39
IA nA
11.0 11.1 9.7 6.8 3.7 1.7 1.1 2.3 6.7 14.1 20.9 25.2 26.7
② VG1 ，VF 不变，VA 增大 如图 3 所示，拒斥电压 VA 增大，峰变窄而谷变宽，整个曲线向右移动。原因：根据能量守恒定律，电 子必须以一定速度穿过栅极 G2 才能到达板极 A 形成板极电流。当 VA 偏小时，其对电子的筛选作用小，从 而使峰谷差距较小。当 VA 增大时，其对电子的筛选作用增大，从而使峰谷差距变大；
VG2K V
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
IA nA
25.1 19.9 12.5 6.4 3.1 2.9 7.3 17.3 28.0 36.4 41.3 42.4 39.0
VG2K V
53
54
55
56
57
58
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60
64
65
66
67
68
IA nA
31.8 22.6 14.4 9.2 8.3 13.9 23.7 34.5 50.0 44.8 37.4 29.0 22.2
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。
弗兰克-赫兹
学生姓名：王培升学号：5502211065 专业班级：应用物理111班班级编号：S008__ 实验时间：14 时00 分第十二周星期二座位号：教师编号：成绩：夫兰克-赫兹实验实验目的：∙了解原子能量量子化，测定汞或氩原子的第一激发电势；∙了解集成运算放大器的基本单元电路原理；∙利用运算放大器的放大作用，组成测量电路进行弱电流测量。
实验原理：∙弗兰克-赫兹实验根据量子理论，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式中，为第一激发态能量（第一激发态是距基态最近的一个能态），为基态能量，为该原子第一激发能。
Figure 1: 弗兰克-赫兹实验的原理弗兰克-赫兹实验的原理可由图1来说明。
电子由阴极发出经由电压形成的电场加速而趋向板极，只要电子能量足以克服减速电压形成的电场时，就能穿过栅极到达板极形成电流。
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。
如果电子能量小第一激发能，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原理不难推得，电子损失的能量极小，电子能如期的到达板极，形成电流，学生姓名：王培升学号：5502211065 专业班级：应用物理111班班级编号：S008__实验时间：14 时00 分第十二周星期二座位号：教师编号：成绩：将随着的增大而增大。
但当电子能量达到时，电子与原子将在附近发生第一次非弹性碰撞，电子把能量传给气体原子。
碰撞后电子失去动能，损失了能量的电子将无法克服减速场到达板极造成了电流Ip的第一次下降。
若使继需增大，电子在经历了第一次非弹性碰撞后，仍有剩余动能到达板极，电流又会上升，直到达到两倍的时，使电子与原子发生两次非弹性碰撞，电流又再度下跌，余可类推。
如此反复将出现图2的曲线。
图2: 弗兰克-赫兹实验曲线∙集成运算放大器集成运算放大器是一种能够检测和放大支流与交流信号的固体器件。
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。
弗兰克—赫兹实验报告
实验名称：弗兰克—赫兹实验 实验原理：用加速到一定能量的电子轰击原子使原子发生跃迁，跃迁的同时电子失去能量而减速，碰撞后电子的速率分布发生变化，测量到达的高速电子的数量，就可以知道有多少电子因为是原子跃迁而失去能量，间接测出了原子吸收的能量的大小，就反应出了跃迁所需的能量。
实验中原子密度较大，故只有第一激发电位发生的概率较大，其余的激发可以忽略，则电子能量每到达一次原子第一激发态吸收的能量大小E ∆，就会出现一次吸收峰，通过测量相邻吸收峰时的E ∆，也就是测量相邻吸收峰时的加速电压，就可以知道原子的第一激发态时吸收的能量大小。
实验用的装置如右图，通过灯丝加热K 使其发射电子，G 1控制通过G 1的电子数目，G 2加速电子，G 1、G 2空间较大，提供足够的碰撞概率，A 接收电子，AG 2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。
用汞进行实验测得与右下图相似的曲线。
汞的第一激发电位为 4.9V,实验中电压每到 4.9V 的n 倍就多一次吸收，故出现一个吸收峰，实验内容：一、汞的F-H 实验 测汞的第一激发电位（测I P -V G2曲线，由曲线确定第一激发电位），测六到八个峰测量条曲线，V G2上升测一条，V G2下降测一条分别由峰间距求汞的第一激发电位。
二、氩的F-H 实验 示波器观察氩的I P -V G2曲线，手动测氩的I P -V G2曲线。
实验步骤：一、汞的F-H 实验1．先将温度调到设定值，打开温控开关加温指示灯on 亮（绿色），到设定温度off 指示灯亮（红色），红灯亮过一次即可开始实验。
2.了解接线，将V p ,V G1K ,V G1P ,V G2K ,调至最小，到设定温度时再打开两仪器电源，稳定5分钟，然后据炉上标签设定各电压值，用“手动”挡测曲线，电流过量程时更换电表量程。
3.先手动调节电压观察电流随电压的变化，选适当量程从某一电压起每隔0.5V记录一组I P -V G2数据，随V G2上升测一条至约六到八个峰，再随V G2下降记录数据。
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
弗兰克赫兹实验实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告弗兰克赫兹实验实验报告引言：弗兰克赫兹实验是物理学领域的一项重要实验，它的发现为我们理解原子结构和量子力学奠定了基础。
本实验通过对气体放电管中电子的运动进行观察和测量，揭示了原子的离散能级和电子的波粒二象性。
本报告将详细介绍弗兰克赫兹实验的原理、实验装置、实验过程以及实验结果的分析与讨论。
一、实验原理弗兰克赫兹实验基于气体放电现象，利用电子在气体原子中的碰撞过程来研究原子的能级结构。
当气体放电管中加入一定电压时，电子会加速运动并与气体原子碰撞，从而使原子电离或激发。
当电子经过加速后，其动能增加，能够克服原子的束缚力，使原子电离。
而当电子能量不够大时，电子与原子的碰撞只能使原子激发到较低能级。
通过测量电子在气体放电管中的运动特性，可以得到气体原子的能级结构。
二、实验装置弗兰克赫兹实验的装置主要包括气体放电管、电源、测量仪器等。
气体放电管是实验的关键部分，它通常由两个电极构成，其中一个是阴极，用于发射电子；另一个是阳极，用于收集电子。
气体放电管内充满了待测气体，如氩气、氖气等。
电源提供所需的电压，通常为几百伏至几千伏。
测量仪器包括电压表、电流表、光电子倍增管等，用于测量电压、电流以及光电子的能量。
三、实验过程1. 装置调试：首先进行装置的调试，确保电源和测量仪器正常工作。
调整电源的电压和电流，使其达到实验要求。
2. 观察放电现象：打开电源，观察气体放电管中的放电现象。
当电压升高时，放电管中会出现不同颜色的光芒，这是因为气体原子的激发和电离过程。
3. 测量电流：通过连接电流表，测量电流的大小。
随着电压的增加，电流也会相应增加。
当电压达到一定值时，电流会急剧增加，这是因为电子能量足够大，可以克服原子的束缚力，使原子电离。
4. 测量电压：使用电压表测量电源的输出电压，记录下不同电压下的电流值。
5. 测量光电子能量：通过连接光电子倍增管，测量光电子的能量。
光电子是由气体原子激发或电离后发射出来的电子，其能量可通过光电子倍增管进行测量。
弗兰克赫兹实验数据处理
数据处理（1） 计算第一激发电势和相对误差IA--UG2K 曲线数据2.8V2.6V3.0V电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA电压/V 峰1 32.6 124.9 32.6 35.7 33.0 251.4 谷1 36.9 71.4 37.1 19.6 36.9 151.5 峰2 43.0 308.7 43.2 91.0 43.4 657.7 谷2 48.1 103.5 48.3 26.8 48.0 220.5 峰3 54.6 560.3 54.6 169.5 54.7 1258.4 谷3 59.5 157.0 59.7 42.8 59.4 369.4 峰4 66.4 851.2 66.2 258.7 66.5 2004.2 谷471.5289.171.580.371.1742.70.0500.01000.01500.02000.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.02.8V 2.6V3.0VI A ~ U G2K 曲线I A /μAU G2K /V用逐差法求氩原子第一激发电势U=（66.4+54.6-43-32.6）/4=11.35V相对误差E R=（11.35-11.5）/11.5*100%=1.30% 误差在允许范围内通过比较有：①灯丝电压的变化对极板电流有比较大的影响；②在其他因素相同的情况下，灯丝电压越大，极板电流越大。
分析：灯丝电压变大导致灯丝的实际功率变大，灯丝的温度升高，在其他的因素相同的情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。
（2）改变灯丝电压，研究其对实验的影响。
反向拒斥电压U G2A =8.5 V,，分别测量拒斥电压U=10.5 V.，U=6.5 V，情况下的实验数据。
IA--UG2K曲线数据8.5V 10.5V 6.5V电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 峰1 32.6 124.9 33.5 61.5 32.2 141.8 谷1 36.9 71.4 38.3 25.8 36.0 98.9 峰2 43.0 308.7 44.1 189.9 42.8 338.0 谷2 48.1 103.5 49.2 29.3 47.0 163.2 峰3 54.6 560.3 55.5 388.0 53.8 607.5 谷3 59.5 157.0 60.9 43.6 58.6 263.1 峰4 66.4 851.2 67.1 625.3 65.6 914.4 谷4 71.5 289.1 72.5 113.2 70.4 448.70.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.08.5V 10.5V 6.5V通过比较有：① 反向拒斥电压的变化对极板电流有一定的影响；② 在其他因素相同的情况下，拒斥电压增大时，极板电流减小。
弗兰克-赫兹实验报告
实验报告：弗兰克-赫兹实验一、实验题目：弗兰克-赫兹实验二、实验目的：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。
这个实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。
实验目的是熟悉实验装置，掌握实验条件，测量汞的第一激发电位、电离电位和高激发电位。
进一步理解实验原理，掌握实验方法。
三、实验原理:1.实现原子从低能级到高能级的跃迁,可以使具有一定能量的电子和原子发生碰撞.若与之发生碰撞的电子是在电势V 的加速下,速度从零增加到v ,则当电子的能量满足:221mv eV E E E n m ==-=∆时,电子将全部的能量交换给原子.由于两个能级之间的能量差是有确定的值,对应的电压就有确定的大小,当原子吸收电子的能量从基态跃迁到第一激发态时,相就的电压值称为原子的第一激发电位.实验中就是测量汞原子的第一电位差. 2.Hg 原子能级其中61S0（0ev ）为基态，63P1（4.9ev ）为激发态，63P0（4.7ev ）、63P2（5.47ev ）为亚稳态3.实验中用F-H管来测量汞原子的第一激发电位.原理图如下: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G2正电压作用加速，在管中与汞原子碰撞。
逐渐增加KG2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。
G1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G2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G1与G2间距较大，使电子与气体有较大的碰撞区域。
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。
弗兰克赫兹实验数据处理
数据处理（1）计算第一激发电势和相对误差IA--UG2K曲线数据用逐差法求氩原子第一激发电势U=（66.4+54.6-43-32.6）/4=11.35V 相对误差E R=（11.35-11.5）/11.5*100%=1.30% 误差在允许范围内通过比较有：①灯丝电压的变化对极板电流有比较大的影响；②在其他因素相同的情况下，灯丝电压越大，极板电流越大。
分析：灯丝电压变大导致灯丝的实际功率变大，灯丝的温度升高，在其他的因素相同的情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。
（2）改变灯丝电压，研究其对实验的影响。
反向拒斥电压U G2A =8.5 V,，分别测量拒斥电压U=10.5 V.，U=6.5 V，情况下的实验数据。
IA--UG2K曲线数据通过比较有：①反向拒斥电压的变化对极板电流有一定的影响；②在其他因素相同的情况下，拒斥电压增大时，极板电流减小。
分析：反向拒斥电压增大，在其他的因素相同的情况下，电子的能量大于eU G2A 的电子数减少，单位时间到达极板的电子数减少，从而极板电流减少。
思考与讨论（1）灯丝电压对F—H实验的I A—U G2K曲线形状有何影响？对第一激发电势的测量有何影响？答：灯丝电压不能过高或过低。
因为灯丝电压的高低，确定了阴极的工作电流。
灯丝电位低，阴极发射电子的能力减小，使得在碰撞区发生的碰撞减少，检测到的电流减小，给检测带来困难，从而使I A—U G2K曲线的分辨率下降；灯丝电压高阴极发射电子的能力增加，引起逃逸电子增多，相邻峰、谷值的差值减小。
（2）从I A—U G2K曲线上可以看出阳极电流并不是突然下降，有一个变化的过程（电流的峰有一定的宽度），而且出现峰值后电流不能降为零，这是为什么？答：这是因为阳极发射的电子的初始速度不是完全相同的，服从一定的统计规律。
另外，由于电子与氩原子的碰撞有一定的几率，在大部分电子与氩原子碰撞而损失能量的时候，还会有一些电子没有发生碰撞而到达了阳极，所以阳极电流不会降为零。