夫兰克-赫兹实验
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模板
一、实验名称弗兰克-赫兹实验二、实验目的1. 通过实验测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。
2. 加深对量子化概念的理解。
3. 掌握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。
三、实验原理1. 根据量子理论，原子只能处于一系列不连续的能量状态，即定态。
2. 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。
3. 电子在加速电压U的作用下获得能量，当其能量等于或大于第一激发态能量E1时，即可实现跃迁。
四、实验器材1. 弗兰克-赫兹实验仪2. 氩气瓶3. 数字电压表4. 数字电流表5. 计时器6. 连接线和导线五、实验步骤1. 检查实验仪器的完整性，确保实验仪正常工作。
2. 打开氩气瓶，调节气体压力至实验要求。
3. 调节加速电压和减速电压，使电子在电场中加速和减速。
4. 逐渐增加加速电压，观察输出电流的变化。
5. 记录输出电流与加速电压的关系曲线。
6. 根据曲线确定氩原子的第一激发电势。
六、实验数据与分析1. 记录实验过程中输出电流与加速电压的关系曲线。
2. 分析曲线，确定氩原子的第一激发电势。
3. 计算实验误差，分析误差来源。
七、实验结果1. 氩原子的第一激发电势为：XXX eV。
2. 实验误差为：XXX %。
八、实验讨论1. 分析实验结果与理论值的差异，探讨误差来源。
2. 讨论实验过程中可能出现的异常现象，分析原因。
3. 总结实验过程中学到的知识，对实验原理进行深入理解。
九、结论1. 通过实验测量，验证了原子能级的存在，加深了对量子化概念的理解。
2. 掌握了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。
十、参考文献1. 王家骐，张洪涛. 基础物理实验[M]. 北京：高等教育出版社，2010.2. 张志敏，刘志勇，陈国良. 基础物理实验教程[M]. 北京：科学出版社，2008.3. 弗兰克-赫兹实验原理及装置介绍[EB/OL]. /frank-hertz.html，2022-10-01.十一、附录1. 实验数据记录表2. 实验曲线图3. 误差分析报告（注：以上模板仅供参考，具体实验内容可根据实际情况进行调整。
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。
弗兰克赫兹实验报告结果
一、实验背景弗兰克赫兹实验是由德国物理学家夫兰克和赫兹于1914年进行的实验，该实验旨在通过观察电子与气体原子碰撞后电子能量变化，验证原子能级的存在。
实验结果对于原子物理和量子力学的发展具有重要的意义。
二、实验目的1. 验证原子能级的存在；2. 研究电子与气体原子碰撞的能量交换；3. 深入了解原子内部结构的量子化特性。
三、实验原理根据波尔原子模型理论，原子中电子在特定轨道上运动时，具有确定的能量值，即能级。
当电子与原子碰撞时，可能会发生能量交换，从而使电子从低能级跃迁到高能级。
实验中，通过测量电子与气体原子碰撞后的能量变化，可以验证原子能级的存在。
四、实验方法1. 实验装置：实验装置主要包括电子枪、气体室、阳极、阴极和示波器等。
2. 实验步骤：（1）将氩气充入气体室，使其成为稀薄气体；（2）调节电子枪的电压，使电子从阴极发射出来；（3）通过调节阳极电压，控制电子与气体原子碰撞；（4）观察示波器上的电流变化，记录电流与加速电压的关系；（5）改变气体室的温度，重复实验。
五、实验结果1. 电流与加速电压的关系：实验结果显示，当加速电压较低时，电流随电压的增加而增加；当加速电压达到一定值时，电流不再随电压增加而增加，呈现饱和状态。
这说明电子与气体原子碰撞后，能量交换达到平衡，电子无法继续从高能级跃迁到更高能级。
2. 第一激发电位：通过实验数据，测量得到氩原子的第一激发电位为15.8V，与理论值15.76V相符。
3. 温度对实验结果的影响：实验发现，随着气体室温度的升高，第一激发电位有所降低。
这是因为温度升高导致原子振动加剧，使得电子与原子碰撞的能量交换更加困难。
六、实验结论1. 弗兰克赫兹实验验证了原子能级的存在，证明了原子内部能量是量子化的；2. 实验结果与波尔原子模型理论相符，为量子力学的发展奠定了基础；3. 实验结果表明，电子与气体原子碰撞后，能量交换是有限度的，存在能量阈值。
七、实验总结弗兰克赫兹实验是一项经典的物理实验，其结果对于原子物理和量子力学的发展具有重要的意义。
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
弗兰克赫兹实验原理简述
弗兰克赫兹实验原理简述
弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年发
现的一种实验现象。
该实验主要利用了气体分子电离与激发的特性，验证了电子在气体中的离散能级结构。
其原理如下：
在实验中，气体原子与电子束碰撞后，电子将会经历两种情况：碰撞后仅转移能量给原子，或者碰撞后电子会激发或电离原子。
当电子通过一个加速电压与气体原子碰撞时，电子的能量逐渐增加。
当电子能量达到气体原子的第一激发能级时，部分能量会被原子吸收，但电子的能量仍然较大，因此电子不会停止，继续前行。
然后电子会再次碰撞到原子，此时电子剩余的能量可能与原子的第二激发能级相匹配，此时部分能量再次被原子吸收。
此后电子可能会经历多次碰撞并且在每次碰撞中失去能量。
最终，当电子的能量减小到无法激发或电离气体原子时，电子束将不再传输到检测电路中，电流值降为零。
通过测量电压与电流的关系，可以得到一系列的电流峰，每个峰代表了一种特定能量的电子。
根据能量差值和电压的关系，可以推断出气体原子的离散能级结构。
弗兰克-赫兹实验的结果验证了量子力学的基本原理，为后来
的原子和分子物理研究奠定了基础。
弗兰克赫兹实验公式
弗兰克赫兹实验公式弗兰克-赫兹实验公式是物理学中一项重要的实验，它揭示了原子内部电子能级的存在，并为量子力学的发展奠定了基础。
本文将介绍弗兰克-赫兹实验公式的原理、实验步骤和应用。
弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家James Franck和Gustav Hertz于1914年提出并进行的。
他们的实验是在低压下对汞蒸气进行的，实验装置由一个玻璃管组成，其中包含一个正极（阴极）和一个负极（阳极）。
在实验中，通过在阴极上加高压电，使电子从阴极上发射，然后经过一系列电压差的加速电场，最后到达阳极。
实验中，测量了不同加速电压下阳极电流的变化情况。
实验结果显示，当电压达到一定值时，阳极电流急剧下降。
这是因为当电子从阴极发射后，经过加速电场加速，当它们具有足够的能量时，能够克服汞原子的束缚力，与汞原子碰撞。
这些电子与汞原子碰撞后，会失去能量，并且会导致阳极电流的减少。
弗兰克-赫兹实验公式描述了电子与原子碰撞时能量的转移过程。
根据实验结果，能量转移的最小值等于汞原子第一激发态与基态之间的能量差。
实验公式可以表示为：E = eV_n其中，E是能量转移的最小值，e是电子的电荷，V_n是电压差。
弗兰克-赫兹实验公式的重要性在于它揭示了原子内部电子能级的存在。
这与传统的经典物理学观念相悖，因为经典物理学无法解释为何电子在通过加速电场后，会减少电流。
根据实验公式，我们可以推导出汞原子的能级结构，并进一步研究其他原子的能级结构，从而推动了量子力学的发展。
除了对原子结构的研究，弗兰克-赫兹实验公式还有其他的应用。
例如，它在电子学领域中被用于研究电子与固体材料的相互作用。
通过改变加速电压，可以测量电子在固体中的散射和能量损失，从而获得固体材料的性质信息。
此外，弗兰克-赫兹实验公式还可以用于研究电子与分子的相互作用。
分子是由原子组成的，因此弗兰克-赫兹实验可以通过测量分子中电子的能量转移来研究分子的结构和性质。
总结一下，弗兰克-赫兹实验公式是描述电子与原子碰撞能量转移的公式。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告一、实验目的本实验旨在通过研究汞原子的第一激发电位，加深对原子能级概念的理解，以及了解弗兰克赫兹实验的基本原理和实验方法。
二、实验原理1、原子能级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，这些状态称为能级。
原子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射一定频率的光子，其能量等于两个能级的能量差。
2、弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验是通过让电子与原子碰撞来研究原子能级的一种方法。
在实验中，电子在加速电场中获得能量，然后与气体原子发生碰撞。
如果电子的能量小于原子的第一激发能，那么电子与原子之间的碰撞是弹性碰撞，电子的能量几乎不变。
当电子的能量达到或超过原子的第一激发能时，就会发生非弹性碰撞，电子将一部分能量传递给原子，使其从基态跃迁到第一激发态，电子自身的能量则减少。
通过测量电子在不同加速电压下的电流，可以得到电子与原子碰撞的能量转移情况，从而确定原子的第一激发电位。
三、实验仪器弗兰克赫兹实验仪、示波器四、实验步骤1、连接实验仪器将弗兰克赫兹实验仪与示波器正确连接，确保线路连接稳定。
2、预热仪器打开实验仪器电源，进行预热，使仪器达到稳定工作状态。
3、调节参数设置加速电压的起始值、终止值和步长等参数。
4、进行测量逐步增加加速电压，同时观察示波器上显示的电流信号，记录相应的电压和电流值。
5、重复测量为了提高测量的准确性，进行多次重复测量。
五、实验数据及处理1、实验数据记录以下是一组典型的实验数据：｜加速电压（V）｜电流（μA）｜｜｜｜｜ 10 ｜ 05 ｜｜ 20 ｜ 10 ｜｜ 30 ｜ 15 ｜｜ 40 ｜ 20 ｜｜ 50 ｜ 25 ｜｜ 60 ｜ 30 ｜｜ 70 ｜ 35 ｜｜ 80 ｜ 40 ｜｜ 90 ｜ 45 ｜｜ 100 ｜ 50 ｜2、数据处理以加速电压为横坐标，电流为纵坐标，绘制出电流电压曲线。
通过对曲线的分析，可以发现电流在某些电压值处出现明显的下降，这些下降点对应的电压值即为汞原子的第一激发电位。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
夫兰克-赫兹实验
【实验目的】
（1）测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。
（2）分析温度、灯丝电流等因素对F-H （夫兰克-赫兹）实验曲线的影响。
（3）了解在微观世界中，电子与原子的碰撞存在几率性。
【实验原理】
根据玻尔提出的原子理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中每一状态对应于一定的能量值，各定态的能量是分立的，原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差的能量。
如果处于基态的原子要发生状态改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要的能量。
为使原子从低能级E n 向高能级E m 跃迁，可以通过吸收一定频率ν 的光子来实现，其光子的能量由下式决定：
m n h E E ν=- （5.1.1）
其中：普朗克常量h =6.626×10-34 J ·S
也可能通过与具有一定能量的电子碰撞来实现。
若与之碰撞的电子是在电势差U 的加速下，速度从零增加到v 并将全部能量交换给原子，则有
212m n eU mv E E ==-
（5.1.2）
由于E m －E n 有确定的值，对应的U 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U 称为第一激发电势。
夫兰克-赫兹实验原理如图5.1.1所示。
实验中原子与电子碰撞是在弗兰克-赫兹（F-H ）管内
进行的。
一般的夫兰克-赫兹管是在圆柱状玻璃管壳中沿径
向或轴向依次安装加热灯丝、阴极K 、网状栅极G 及板极A ，有的在阴极K 和栅极G 之间还安装有第一阳极G 1。
将管内抽取至高真空后，充入高纯氩或其他元素。
管内充以不同元素的气体就可以测出相应元素的激发电势。
设氩原子的基态能量为E 1，第一激发态的能量为E 2，初速为零的电子在电位差为U 0的加速电场作用下，获得的能量为eU 0。
具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eU 0< E 2－E 1时，电子与氩原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氩原子质量小得多，电子能量损失很少。
如果eU 0≥E 2－E 1＝∆E ，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞。
氩原子从电子中取得能量∆E ，而由基态跃迁到第一激发态，eU 0＝∆E 。
相应的电位差U 0
即为氩原子的第一激发电位。
在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出，阴
极K 和栅极G 之间的加速电压U GK 使电子加速。
在板极
A 和栅极G 之间加有减速电压U AG ，管内电位分布如图
5.1.2所示，当电子通过KG 空间进入GA 空间时，如果能
量大于eU AG 就能达到板极形成板流。
电子在KG 空间与
氩原子发生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于eU AG ，则电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而减少。
实验时使U GK
逐渐增加，
夫兰克-赫兹实验原理
图
5.1.1 夫兰克-赫兹管管内电位分布 图5.1.2
仔细观察板极电压的变化，我们将观察到如图5.1.3所示的I A-U GK曲线。
夫兰克-赫兹管的I A-U GK曲线
图5.1.3
随着U GK的增加，电子能量增加，当电子与氩原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服GA 空间的减速场而到达板极A时，板极电流又开始上升。
如果电子在KG空间得到的能量eU0＝2∆E 时，电子在KG空间会因二次弹性碰撞而失去能量，从而造成第二次板极电流下降。
在U GK较高的情况下，电子在通向栅极的路程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞。
只要U GK＝nU0（n＝1，2，…），就发生这种碰撞。
在I A-U GK曲线上将出现多次下降。
对于氩，曲线上相邻两峰（或谷）对应的U GK之差即为原子的第一激发电位。
如果氩原子从第一激发态又跃迁到基态，这就应当有相同的能量以光的形式放出，其波长可以计算出来：hν＝eU0，实验中确实能观察到这些波长的谱线。
【思考题】
（1）灯丝电压对实验结果有何影响？是否激发第一电位？
（2）为什么I A-U GK呈周期性？
（3）I P—U G2K曲线电流下降若不十分陡峭，主要原因是什么？I P的谷值不为零，而且谷值沿U G2K轴依次升高，如何解释？
（4）当温度较高时，I P—U G2K曲线的第一波峰不易出现，为什么？。