弗兰克-赫兹实验
弗兰克—赫兹实验报告
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 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 2G AU ，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 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 G2A 则不能达到板极。
由此可见，若eU G2K <∆E ，则电子带着e U G2K 的能量进入G 2-A 区域。
随着U G2K 的增加，电流I 增加（如图2中Oa 段）。
弗兰克赫兹管实验报告
一、实验目的1. 了解弗兰克-赫兹实验的原理和方法。
2. 测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。
3. 深入理解量子化概念，加深对原子结构的认识。
二、实验原理弗兰克-赫兹实验是基于量子力学原理，通过测量电子与原子碰撞过程中的能量交换，验证原子能级的存在。
实验装置主要由弗兰克-赫兹管、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器等组成。
实验过程中，电子在阴极和第一栅极之间被加速，然后进入充满氩气的弗兰克-赫兹管。
在管内，电子与氩原子发生碰撞，能量交换导致电子和氩原子发生能级跃迁。
当电子能量等于氩原子第一激发能时，电子被完全阻止，此时电流急剧下降。
通过测量电流的变化，可以确定氩原子的第一激发电势。
三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹管：由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成，充有氩气。
2. 加热炉：用于保持弗兰克-赫兹管内氩气的饱和蒸气压。
3. 温控装置：用于控制加热炉的温度。
4. F-H管电源组：提供弗兰克-赫兹管各极所需的工作电压。
5. 扫描电源：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，作为弗兰克-赫兹管的加速电压。
6. 微电流放大器：用于检测弗兰克-赫兹管的输出电流。
7. 微机X-Y记录仪：用于记录实验数据。
四、实验步骤1. 将弗兰克-赫兹管置于加热炉内，调节加热炉温度，保持氩气的饱和蒸气压。
2. 接通电源，调节F-H管电源组，使阴极和第一栅极之间的电压为0V。
3. 调节扫描电源，使加速电压从0V开始逐渐增加，同时观察微电流放大器显示的输出电流。
4. 记录电流随加速电压的变化曲线，找出电流急剧下降的位置，即氩原子的第一激发电势。
五、实验结果与分析1. 实验数据及曲线通过实验，测得氩原子的第一激发电势约为15.8V。
根据实验数据，绘制了电流随加速电压的变化曲线，如图1所示。
图1 电流随加速电压的变化曲线2. 结果分析根据实验结果，当加速电压为15.8V时，电流急剧下降，说明电子能量与氩原子第一激发能相等，发生能级跃迁。
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
弗兰克-赫兹实验
同济大学浙江学院物理教研室
夫兰克
赫兹
(James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975)
实验简介
1913年，丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)提出了原子结 构的量子论，很好的解释了氢原子的线状光谱。
1914年，夫兰克(J．Frank)和赫兹(G.Hertz)采用 慢电子轰击原子的方法，利用两者的非弹性碰撞将原 子激发到较高能级。直接证明了原子内部量子化能级 的存在，给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立 于光谱研究方法的实验证据。因此他们获得了1925年 的诺贝尔物理学奖。
5. 将实验测得的氩原子第一激发电位U0与公认值 11.55V比较，求百分差。
18
数据处理
1. 整理原始数据（峰、谷处多保留几个实验点） 用整理后的数据在坐标纸上描绘出Ip-VG2的关系 曲线，规范作图。确定出Ip极大时所对应的电压。
2. 用逐差法处理数据求出氩原子的第一激发电位U0。
3. U0测与 U理=11.55v进行比较，计算出相对误差写 出完整的结果表达式。
电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子
7
三、 实验仪器
8
IP显示
IP量程选择
电压显示
UG2输出 电源开关
IP输出
自动/手动 快速/慢速
Байду номын сангаас
电
压
显 示
UF调节
UP调节
选 择
UG1调节
UG2调节
9
实验装置的核心夫兰克-赫兹管(简称F-H管)是 一个具有双栅极结构的柱面型充有氩或其他惰性 气体(如氖等)的四级电子管。
10
VG1
弗兰克赫兹实验
保留余下的部分）；
设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态。初动 能为零的电子在电位差 U0的电场作用下获得能量 eU0，如果
eU0 =hν = E2 - E1
当电子与原子发生碰撞时，原子从电子获取能
量而从基态跃迁到第一激发态。 相应的电位差 Ug
1933年为抗议希特勒反犹太法，弗兰克公开发表声明 并辞去教授职务，离开德国去哥本哈根；一年后他移居美 国，成为美国公民。1935年— 1938年任约翰·霍布金斯大 学物理系教授。1938年起任芝加哥大学物理化学教授，直 到1949年退休。第二次世界大战期间，他参加了研制原子 弹有关的工程，但与大多数科学家一样，他反对对日本使 用原子武器。在芝加哥大学期间，弗兰克还担任该校光合 作用实验室主任，对各种生物过程、特别是光合作用的物 理化学机制进行了研究。
(2)频率定则。当原子从一个稳定状态过度到另一个稳定 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：
其中h = 6.63×10ˉ 3J4·s，
称为普朗克常数。
ν为频率，En、Em为两个
不同定态的能量
hv ? En ? Em
电 离
∞ En hv=En-Em Em
1928年回到柏林任夏洛腾堡工业大学物理教研室主任。1935年由于政 治原因辞去了主任职务，又回到工业界，担任西蒙公司研究室主任。 1945年到 1954年在苏联工作，领导一个研究室，这期间他被任命为莱 比锡卡尔·马克思大学物理研究所所长和教授。1961年退休，先后在莱比 锡赫兹发表了许多关于电子和原子间能量交 换的论文和关于测量电离电势的论文。有些是 单独完成的，有些是和弗兰克、克洛珀斯合作 的。他还有一些关于分离同位素的著作。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告在相对论理论中，以弗朗茨·赫兹（Franz Hertz）为首的一组物理学家所开展的实验，是证明物质粒子的本质、光子的规性，同样也是量子力学创立过程中的重要实验之一。
本文将对弗兰克赫兹实验进行详细讲解。
1. 实验原理弗兰克赫兹实验的实验装置简单，主要由带正电荷的阳极和带负电荷的阴极构成。
阳极和阴极之间有一个几毫米长的气体管道，这个管道中充满一定压强的气体。
当气体管道被加过恰当电压时，电子释放并从阴极发射出来，流经气体管道，不同的电子通过撞击不同的气体分子产生不同的碰撞能量，从而使气体内的原子和分子获得激发和电离。
阳极的电势高于阴极（即进入气体管道的电子具有较高的能量），所以能够通过气体管道运动到阳极。
2. 实验结果在常见的气体实验中，我们会发现许多气体都可分为导电和非导电两类。
实验发现：在气体放置的电势不变时，从阴极发射的电子（称为第一次电子）经气体管道撞击后，是否能到达阳极取决于电子的初始速度，以及气体的种类和压强。
这意味着不同的电子散射非常不同，有些电子的散射轨迹完全符合经典的物理学规律，而有些电子的散射轨迹却完全不符合经典的物理学规律，导致电子无法到达阳极。
3. 实验分析这种不同的电子散射行为启示我们必须从量子角度来考虑电子的散射，这就涉及了量子力学理论的发展。
在经典力学中，物体的运动状态可以通过运动参数（例如位置、速度、加速度等）完全指定。
显然，这种经典的描述方式无法解释电子散射的不确定性。
根据这种不确定性，人们必须使用新的物理理论来处理物质粒子。
这个新的物理理论，即量子力学，就是应运而生。
4. 实验意义弗兰克赫兹实验使人们逐渐认识到了电子的量子本性，从而成为量子力学的重要实验之一。
它证实了量子物理学中波粒二象性的基本含义，即物质粒子在一定条件下既行为为波动，又可以被看作是一群具有确定运动的粒子。
同时，它也证明了在微观世界中，经典力学失去了适用性，需要借助量子力学的方法来进行精确描述。
01弗兰克-赫兹实验
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(Franck-Hertz)实验
基态(ground state)
基态是能量最低即最稳定的状态。
主要著作:1922年出版《光谱与原子结构理论》、1934年出版
《原子理论与自然界描述 》、1955年出版《知识统一性》等。 1922
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang 7
激发态(excited states)
除基态以外的其余定态。 电子只有从外部吸收足够能
玻尔
研究原子结构，提出原 子理论两个基本假设：
● 定态假设 ● 频率规则
6
2010/5/1
玻尔原子模型 1913年
Dr. Prof. W.N.Pang
h Em En
5 2010/5/1
h 6.63 1034 J s
Dr. Prof. W.N.Pang
Dr.Prof.Pang
1
2010/5/1
波尔1885年生于哥本哈根，1941年在哥本哈根大学毕业，获
博士学位。1961年任哥本哈根大学理论物理学教授，1962年起 担任哥本哈根大学理论物理研究所所长。曾任丹麦皇家科学院 院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院 士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。
关于轨道能量量子化的概念
用慢电子轰击稀薄气体原子(Hg)，做原子电离电位测
定时，发现了原子的激发能态和量子化的吸收现象， 并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线， 从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们 获得了1925年的诺贝尔物理奖。
弗兰克 - 赫兹实验是完全不同于光谱 实验，是从另一个角度来证明原子存在 分立能级,并能测量出原子一些能级。
数据处理要求
使用两种方法:
1)逐差法 U g
物理实验之弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验摘要：该报告阐明了弗兰克-赫兹实验的历史背景及实验目的，并研究了弗兰克-赫兹实验的设计思想及实验方法。
通过此实验证明了原子能级的存在。
Abstract: This research paper, first talking on the background and purpose of Frank-Hertz Experiment, has a study on its designing idea, and the way to work on the experiment. At last, the conclusion is drawn that the energy level do exist in the atom.一、前言玻尔原子理论作为基本假设，玻尔提出：原子只能处于一系列不连续的状态，这些状态具有分立的确定的能量值，称为定态；原子从一个定态过渡（跃迁）到另一个定态将伴随着辐射或吸收电磁波，电磁波的频率υ与两定态的能量值Em和En的关系为hυ= Em－En （1）式中h=6.63×10-34Js，称为普朗克常量。
原子在正常情况下处于基态（最低能态），当原子吸收电磁波或受到其它有足够能量的粒子碰撞时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。
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。
1914年，弗兰克（James Franck，1882—1964）和G..赫兹（Gustav Hertz，1887—1975）在研究充汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸汽的电子流随电子的能量显现出周期性的变化。
他们的结论是：（1）汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止；（2）此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V 的加速；（3）可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为253.6nm的汞谱线的能量子；（4）4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势。
1925年诺贝尔物理学奖——弗兰克-赫兹实验
1925年诺贝尔物理学奖——弗兰克－赫兹实验1924年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克（JamesFranck，1882—1964）和哈雷大学的G.赫兹（Gustav Hertz，1887—1975），以表彰他们发现了原子受电子碰撞的定律。
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。
弗兰克擅长低压气体放电的实验研究。
1913年他和G.赫兹在柏林大学合作，研究电离电势和量子理论的关系，用的方法是勒纳德（P.Lenard ）创造的反向电压法，由此他们得到了一系列气体，例如氦、氖、氢和氧的电离电势。
后来他们又特地研究了电子和惰性气体的碰撞特性。
1914年他们取得了意想不到的结果，他们的结论是：（1）汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止；（2）此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V 的加速；（3）可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为2536的汞谱线的能量子；（4）4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势。
弗兰克和G.赫兹的实验装置主要是一只充气三极管。
电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场。
电子多穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流计测量。
当电子管中充以汞蒸气时，他们观测到，每隔4.9V电势差，板极电流都要突降一次（图25－1）。
如在管子里充以氦气，也会发生类似情况，其临界电势差约为21V。
弗兰克和G.赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱产生的原因是原子或分子的电离，光谱频率ν与电离电势V有如下的量子关系：hν＝eV。
弗兰克和G.赫兹在1914年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点，他们相信自己的实验无可辩驳地证实了斯塔克的观点，认为4.9V电势差引起了汞原子的电离。
他们也许因为战争期间信息不通，对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在论文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论。
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Ia （*10-8A ）
2
7.5
4
3
1
9
18
29
25
23
22
23
32
VGK（V）
17.7
18.3
19.1
19.3
20.6
21.9
22.8
23.7
24.1
24.4
25.0
有的 I A VG 2 K 对应值。 5. 120 oC 时，设置 F:2.0V, VG1K :1.8V, VG 2 A :2.0,从 1V—25V 的电压记录所 有的 I A VG 2 K 对应值并与 4 中的比较 6. 120 oC 时，设置 F:2.0V, VG1K :2.2V, VG 2 A :2.0,从 1V—25V 的电压记录所 有的 I A VG 2 K 对应值并与 5 中的比较 7. 120 oC 时，设置 F:2.0V, VG1K :2.2V, VG 2 A :2.5,从 1V—25V 的电压记录所 有的 I A VG 2 K 对应值并与 6 中的比较 8.调节温度为 110 oC， 设置 F:2.0V, VG1K :2.2V, VG 2 A :2.5,从 1V—25V 的电压 记录所有的 I A VG 2 K 对应值并与 7 中的比较 5. 在坐标纸上作出 I A VG 2 K 曲线。利用曲线找出 I A 波峰（或波谷）对应的
eU 0 能量的电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量交换。如果被碰撞
原子获得从电子传递来的能量恰好为
eU 0 E 2 E1
（2）
式中 E1 为被碰撞原子的基态能量。 E2 为被碰撞原子的第一激发态的能量。则被 碰撞原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电位差 U 0 被称为原子的第一 激发电位。测出这个电位差 U 0 ，就可以根据（2）式求出被碰撞原子的基态和第 一激发态之间的能量差了。 一般情况下，原子在受激状态（如第一激发态）所处的时间不会太长，就自 动回到基态，并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其辐射频率 或波长
6
10
16
17
16
15
14
17
波峰波谷位置
波峰
VGK（V） 7.4 12.3 17.2 22.3
Ia（*10-8A）
3
8
14
17
波谷
VGK（V）
8.8
13.9
18.9
23.9
Ia（*10-8A）
0.5
2
6
14
2、 120 oC 时， 设置 F:2.0V, VG1K :1.8V, VG 2 A :2.0V,从 1V—25V 的电压记录所有的 I A V GK 对应值
VGK（V） 0 6.2 7.4 7.7 8.8 10.8 11.8 12.3 13.2 13.9 14.9 16.1
Ia（*10-8A） 0
2
3
2
0.5
4
6
8
4
2
4
8
VGK（V）
17.2
17.9
18.2
18.9
20.1
21.2
22.3
22.8
23.1
23.9
25.0
Ia（*10-8A） 14
10
8
8.3 8.7 9.3 10.4 11.7 12.6 12.9 13.4 14.2
VGK（V）
2.3
5.8
7.7
Ia （*10-8A）
0
1
7.5
3
1
0.5
5
20
25
24
17
6
VGK（V）
15.8
16.4
17.6
17.9
18.7
19.2
21.4
22.1
22.6
24.3
25.0
Ia （*10-8A）
18
-8
20
40
36
33
28
38
57
73
60
52
44
70
波峰波谷位置 波峰
VGK（V）
7.3
12.2
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22.3
Ia（*10-8A）
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波谷
VGK（V）
8.9
13.8
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Ia（*10-8A）
0.5
5
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44
3、20 oC 时，设置 F:2.0V,
VG1K :2.2V, VG 2 A :2.0V,从 1V—25V 的电压记录所有的 I A V GK 对应值
24
39
34
24
20
25
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48
波峰波谷位置 波峰
VGK（V）
7.7
12.6
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22.6
Ia（*10-8A）
7.5
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波谷
VGK（V）
9.3
14.2
19.2
24.3
Ia（*10-8A）
0.5
6
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34
4、 120 oC 时， 设置 F:2.0V, VG1K :2.2V, VG 2 A :2.5V,从 1V—25V 的电压记录所有的记录所有 的 I A V GK 对应值
VGK（V） 5.9 7.0 7.3 7.8 8.1 8.9 9.5 11.7 12.2 12.8 13.4 13.8 14.6
Ia （*10-8A ）
2
6
7
4
2
0.5
6
18
24
17
10
5
6
VGK（V）
15.9
17.2
17.7
18.2
18.9
20.2
21.5
22.3
22.8
23.4
23.8
25.0
Ia （*10 A ）
25
16
12
17
28
31
29
27
波峰波谷位置 波峰
VGK（V）
7.7
12.8
17.8
22.8
Ia（*10-8A）
5.5
21
28
31
波谷
VGK（V）
9.9
14.9
20.0
25.0
Ia（*10-8A）
0.5
5
12
27
5、110 oC，设置 F:2.0V, VG1K :2.2V, VG 2 A :2.5V,从 1V—25V 的电压记录所有的 I A V GK 对 应值
级时产生的辐射。为此，1922 年玻尔 获诺贝尔物理奖。 为了证明原子中电子的运动存在 一系列稳定状态—能级，1914 年，德 国 物 理 学 家 夫 兰 克 (J.Franck) 和 赫 兹 (G.Hertz) 巧妙地改进了勒纳用来测量 电离电位的实验装置。他们同样采用 慢电子（几到几十电子伏）与单原子 气体碰撞后电子状态的变化（勒纳观 察的是离子） 。他们用此装置测定了汞 原子的第一激发电位，后又改进电路 测出了汞原子的较高激发电位及至电 离电位，得到了与原子光谱测量一致 的结果，从实验上证实了原子内部能 量的分立、不连续性，验证了玻尔理 论，为量子理论的创立奠定了实验基 础。这两位物理学家于 1925 年获诺贝 尔物理奖。
由下式确定
h eU 0
二、夫兰克-赫兹实验的原理 在夫兰克-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 （3）
电压 VG1K 及与第二栅极 G2 之间的加速电压 VG 2 K 使电子加速。在板极 A 和第二栅 极 G2 之间设置反向拒斥电压 VG 2 A ，管内空间电位分布如图一所示：其中： （1） 第一栅极 G1 和阴极 K 之间的加速电压 VG1K 约 1.5 伏的电压， 主要用于消除阴极电 子散射的影响。 （2）各电压值大小遵守仪器说明，否则可能损坏管子。
弗兰克-赫兹实验
孔健聪
（汕头大学物理系，广东 汕头） 摘要：掌握夫兰克-赫兹实验的原理和方法，理解该实验的物理构思和设计技巧。测量 原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。研究原子能级的量子特性，观察其特殊的伏安 特性现象。 关键词： ；激发；能级；量子
引言 本世纪初，人类对原子光谱的研 究逐步深入，人们发现卢瑟福于 1911 年提出的原子核结构模型与经典电磁 理论存在深刻的矛盾。按照经典理论， 原子应当是一个不稳定的系统，原子 光谱应为连续光谱。但事实上，原子 是稳定的，原子光谱是具有一定规律 性的分离谱线。为了解决这一矛盾， 丹麦物理学家玻尔（ N.Bohr ）根据光 谱学研究的成就和普朗克、爱因斯坦 的量子论思想，在卢瑟福核式模型基 础上，把量子概念应用于原子系统， 提出了半经典的氢原子理论，指出原 子中存在能级。该模型的预言在氢光 谱的观察中取得了显著成功。根据玻 尔理论，原子光谱中的每条谱线表示 原子从一个能级跃迁到另一个较低能 实验原理与方法 一、玻尔提出的原子理论指出：
Ia （*10-8A ）
40
39
38
35
42
52
55
50
46
40
36
波峰波谷位置 波峰
VGK（V）
7.6
12.7
17.2
22.8
Ia（*10-8A）
7.5
29
40
55
波谷
VGK（V）
9.3
14.2
19.3
图 1 夫兰克-赫兹实验原理图
图 2 夫兰克-赫兹管的 IA～VGK 曲线