基于玻尔理论及弗兰克赫兹实验对物理思维的探讨1
赫兹试验-物理试验
实验1.2 弗兰克-赫兹实验根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型指出原子的核外电子只能量子化的长存于各稳定能态E n(n＝1，2，…，)，它只能选择性地吸收外界给予的量子化的能量差值(E n-E k)，从而处于被激发的状态；或电子从激发态选择性地释放量子化的能量E n-E k=hγnk，回到能量较低的状态，同时放出频率为hγnk 的光子。
其中h为普朗克常数。
1914年，德国科学家弗兰克（J.Franck）和赫兹（G.Hertz）用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级。
并通过对电子与原子碰撞时能量交换的研究，直接证明了原子内部能量的量子化。
夫兰克和赫兹的这项工作获得了1925年度的Nobel物理学奖金。
弗兰克——赫兹实验仪重复了上述电子轰击原子的实验，通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换，使原子从低能级跃迁到高能级，直接观测到原子内部能量发生跃变时，吸收或发射的能量为某一定值，从而证明了原子能级的存在及波尔理论的正确性。
一、实验目的1．通过测氩原子第一激发电位，了解Franck和Hertz在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。
2．了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
二、实验仪器FH—1A Franck-Hertz实验仪、示波器等。
三、实验原理图1是充氩四极Franck-Hertz实验原理图。
图1 Franck-Hertz实验原理图电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述：E V M v m MV v m e e ∆+'+'=+22222/12/12/12/1（2.1）式中： m e ——原子质量；M ——电子质量；v ——电子碰撞前的速度；v ’——电子碰撞后的速度；V ——原子碰撞前的速度；V ’——原子碰撞后的速度；ΔE ——原子碰撞后内能的变化量。
按照波尔原子能级理论，ΔE=0 弹性碰撞； (2.2)ΔE=E 1-E 0 非弹性碰撞；式中： E 0 ——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。
弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
一、弗兰克-赫兹实验的实验方法
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang
3
2010/5/1
1925
Dr. Prof. W.N.Pang
4
玻尔理论基于的三个物理学基础
二、实验中的重点概念及物理图像
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang 31
上课时间：下午1:30--4:50
晚上6:30--9:50
切勿产生浮躁情绪
谢 谢
五、实验报告及数据处理要求
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang 32
五、实验报告及数据处理要求
实验报告要求
1)拒收电子版； 2)数据处理过程严谨。
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang 15 2010/5/1
物 理 图 像
电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子 Dr. Prof. W.N.Pang 16 表现为：“非弹性碰撞”
实验中采用一定入射能量的电子与Ar原子碰撞
电子由阴极K发 出，阴极K和控 制栅极G1之间的 加速电压UG
1s22s22p63s23p6 1S0
Dr. Prof. W.N.Pang
简单叠加
14 这里的简单叠加 仅为示意，不严谨！
当电子的加速电压UA<原子第一激发电势Ug 电子与原子碰撞过程中无能量的交换。
当电子的加速电压UA ≥原子第一激发电势Ug 电子与原子碰撞发生能量交换。
物 理 图 像
碰撞前后速度不变，表现为“弹性碰撞”
R
出入射电子在非弹性碰撞过程中能量损 失的情况。
弗兰克赫兹实验第一激发电势的测定论文
36.4
48.4
60.7
73.5
86.8
峰谷电压(/v)
19.0
30.4
42.1
54.3
66.8
79.8
根据公式：Vgk=nvg (n=1.2.3.4………)
令Y=k*x+b (其中k=vg n=x)
所以根据最小二乘法利用EXCEL可以求得
根据表二中的数据
（一）利用其峰值计算第一激发电势
k=12.105v r*r=0.997997
玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而夫兰克与赫兹的实验也于1925年获此大奖。夫兰克-赫兹实验与玻尔原子理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。
（二）实验设备（电脑XDFP软件F-H实验管WNZK-维度控制仪FH-II弗兰克赫兹试验仪）
（三）实验原理
夫兰克-赫兹实验的物理过程
图1夫兰克-赫兹实验原理图
0
4.9
10
9.3
13
13.7
21
0.6
0
5
10
9.4
12
13.8
20
0.7
0
5.1
10
9.5
13
13.9
22
0.8
0
5.2
10
9.6
12
14
0.9
0
5.3
10
9.7
12
14.1
23
1
0
5.4
10
9.8
14
14.2
23
1.1
0
5.5
10
9.9
14
14.3
22
1.2
0
近代物理实验之原子物理实验单元
6
F—H管已抽成真空，充入气压合适的氩气。实验时，保持 GA间电压不变。当KG之间的电压逐渐增加时，板流IA随
VGA的变化如图（2）。
7
当加速电压VGK由零逐渐升高时，刚开始时板流IA随VGK的升 高而逐渐增加。在加速电压VGK等于或大于氩原子第一激 发电位Vr的时候，由于电子在栅极附近与氩原子发生非弹 性碰撞，电子在碰撞中几乎将全部的动能给了氩原子，使 氩原子激发。此时电子将不能克服减速电场而到达极板A，
17
[思考题]
灯丝电压对实验结果有何影响?是否影响第 一激发电位? 2 管子阴极和栅极间的接触电位差对ＩP～ VG2曲线有何影响? 3 如何测定较高能级激发电位或电离电位?
1
18
[注意事项]
在调节VG2和Vf时注意VG2和Vf过大会导致 电子管电离，因为电子管电离后电子管电流 会自发增大直至烧毁。虽然线路中加保护措 施但是电离对阴极具有极大的破坏性。所以 一旦发现IP先正值打表后负值打表，迅速关 机5分钟后重新机。将VG2和Vf关至0均无济于 事，因为电离后的自持放电是自发的。
因此板流IA开始下降。 如果继续升高加速电压VGK，电子将具有较大的动能，电子 在离栅极较远的地方与氩原子发生非弹性碰撞损失大部分 能量，但电子在加速电场的继续作用下，在通过栅极后仍 然有足够的能量克服减速电场的作用达到极板A，此时板 流IA又开始升高。 显然，加速电压VGK越高，电子与氩原子发生非弹性碰撞的 地点离栅极越远。
近代物理实验之原子物理实验单元：
弗兰克－－赫兹实验
1
引言 １９１３年，丹麦物理学家玻尔（Ｎ．Ｂｏｈｒ）在卢瑟 福原子核式模型的基础上，结合普朗克的量子理论，成功 地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论，玻尔理论 是原子物理学发展史上的一个重要里程碑。在玻尔原子结 构理论发表的第二年，即１９１４年，夫兰克（Ｊ．Ｆｒ ａｎｋ）和赫兹（Ｇ．Ｈｅｒｔｚ）用慢电子与稀薄气体 原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到较高能级。通过 测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了 原子内部量子化能级的存在，证明了原子发生跃迁时吸收 和发射的能量是完全确定的，不连续的，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。 由于此项卓越的成就，他俩获得了１９２５年的诺贝尔物 理学奖。
弗兰克赫兹实验思考题
弗兰克赫兹实验思考题2010211018 伍云天1、解释伏安特性曲线的奇特性？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。
如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定：hv＝｜Em－En｜式中：h为普朗克常量。
原子从低能级向高能级跃迁，也可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换来实现。
本实验即让电子在真空中与氩蒸气原子相碰撞。
设氩原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是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eU，若eU小于E2－E1这份能量，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。
当电子的能量eU≥E2－E1时，电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E2－E1的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。
设使电子具有E2－E1能量所需加速电场的电位差为U0，则eU0＝E2－E1 式中：U0为氩原子的第一激发电位（或中肯电位），是本实验要测的物理量。
在充氩的F—H管中，电子由热阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K 使电子加速。
第一栅极对电子加速起缓冲作用，避免加速电压过高时将阴极损伤。
在板极P和G2间加反向拒斥电压UpG2 。
当电子通过KG2空间，如果具有较大的能量（≥eUpG2 ）就能冲过反向拒斥电场而达到板极形成板流，被微电流计pA检测出来。
如果电子在KG2空间因与氩原子碰撞，部分能量给了氩原子，使其激发，本身所剩能量太小，以致通过栅极后不足以克服拒斥电场而折回，通过电流计pA的电流就将显著减小。
弗兰克赫兹实验思考题
1.氩原子的特殊伏安特性曲线说明了什么？说明了原子存在能级，原子只能停留在一定的状态上，原子辐射是只能发射一定频率的光。
2.第一激发电位的物理含义是什么？如果以E0代表氩原子的基态能量，E1代表氩原子的第一激发态的能量，当电子与氩原子相碰撞时传递给氩原子的能量恰好是eV0=E1−E2则氩原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电势差V0称为氩原子的第一激发电位。
3.有没有第二，第三激发电位？有，从第一激发态跃迁到第二激发态相应的电势差就是第二激发电位。
4.弗兰克-赫兹实验的历史1913年，丹麦物理学家玻尔（N. Bohr）将量子概念应用于当时人们尚未接受的卢瑟福（E. Rutherfond）原子核结构模型上，并提出了原子结构的量子理论，成功地解释了氢光谱，为量子力学的创建起了巨大的推动作用。
但玻尔理论的定态假设与经典电动力学明显对立，而频率定则带有浓厚的人为因素，故当时很难为人们所接受。
正是在这样的历史背景下，1914年，两位德国的实验物理学家夫兰克（J. Frank）和赫兹（G. Hertz）采用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，利用两者的非弹性碰撞将原子激发到较高能态，通过测量电子与原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子能级的存在，并验证了频率定则，为玻尔理论提供了独立于光谱研究方法的直接的实验证明。
由于这项卓越的成就，这两位物理学家获得了1925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。
5.正确的实验&错误的解释弗兰克和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。
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克赫兹实验原理弗兰克赫兹实验是一项著名的物理实验，它是由德国物理学家詹姆斯·弗兰克和恩斯特·赫兹在1914年进行的。
这个实验是基于量子力学的一个重要实验，通过这个实验，科学家们对原子结构和光子的性质有了更深入的了解。
在这篇文档中，我们将介绍弗兰克赫兹实验的原理及其重要性。
弗兰克赫兹实验的原理主要是利用了光电效应和原子的量子性质。
在实验中，弗兰克和赫兹使用了一种金属表面来作为目标，然后用紫外光照射金属表面，观察光子与金属原子的相互作用。
他们发现，当紫外光照射到金属表面时，会引起金属表面上的电子发射，这就是光电效应。
而且，他们还发现了一个有趣的现象，即不同波长的光对金属表面上的电子发射具有不同的能量。
根据经典物理学的理论，光的能量是连续的，而弗兰克赫兹实验的结果却表明，光的能量是离散的，这与经典物理学的理论相矛盾。
这个发现为量子力学的发展提供了重要的实验依据。
通过弗兰克赫兹实验，科学家们开始意识到光的能量是以量子的形式存在的，这就是光子的概念。
而金属表面上的电子发射的能量也是量子化的，这就是电子的波粒二象性。
这些发现对量子力学的建立起到了重要的作用。
弗兰克赫兹实验的原理可以用简单的公式来描述，E=hf。
其中，E代表光子的能量，h代表普朗克常数，f代表光子的频率。
这个公式表明了光的能量是与其频率有关的，而且是以量子的形式存在的。
这个公式也被称为光子能量公式，它对于描述光的能量和光子的性质具有重要的意义。
弗兰克赫兹实验的原理不仅在理论物理学中具有重要的意义，而且在实际应用中也有着广泛的影响。
量子力学的发展为现代物理学和工程技术的发展提供了重要的理论基础。
例如，在半导体器件和光电子器件的设计中，量子力学的理论都发挥着重要的作用。
因此，弗兰克赫兹实验的原理对于现代科学技术的发展具有重要的影响。
总之，弗兰克赫兹实验的原理是基于光电效应和原子的量子性质的，它揭示了光的能量是量子化的，为量子力学的建立提供了重要的实验依据。
福兰克赫兹实验报告
一、实验背景及目的1. 实验背景1914年，德国物理学家W.弗兰克和G.赫兹共同完成了一项经典的物理实验——弗兰克-赫兹实验。
该实验旨在验证玻尔提出的原子能级理论，即原子能量是量子化的，电子在能级间跃迁时会吸收或发射特定频率的电磁波。
2. 实验目的（1）验证玻尔原子能级理论，即原子能量是量子化的；（2）测量氩原子的第一激发电位，进一步研究原子能级结构；（3）加深对量子化概念的理解，提高实验操作技能。
二、实验原理1. 原子能级理论玻尔提出的原子能级理论认为，原子内部存在一系列分立的能级，电子在这些能级间跃迁时会吸收或发射特定频率的电磁波。
原子能量量子化意味着能量只能取离散值，即E = nhν，其中E为能量，n为量子数，h为普朗克常数，ν为频率。
2. 实验原理弗兰克-赫兹实验通过观察电子与氩原子碰撞后能量变化，验证了玻尔原子能级理论。
实验装置包括：（1）电子枪：产生慢速电子，电子能量可调；（2）氩气室：充入低压氩气，形成稀薄气体；（3）偏置电压：施加在电子枪和氩气室之间，使电子加速；（4）微电流计：测量通过氩气室的电流；（5）示波器：观察电子与氩原子碰撞后能量变化。
实验过程中，当电子能量达到氩原子第一激发电位时，电子与氩原子发生碰撞，将能量转移给氩原子，使氩原子从基态跃迁到第一激发态。
此时，电子能量减小，导致通过氩气室的电流减小。
通过测量电流变化，可以确定氩原子的第一激发电位。
三、实验装置及操作1. 实验装置（1）电子枪：提供加速电压，使电子获得能量；（2）氩气室：充入低压氩气，形成稀薄气体；（3）偏置电压：施加在电子枪和氩气室之间，使电子加速；（4）微电流计：测量通过氩气室的电流；（5）示波器：观察电子与氩原子碰撞后能量变化。
2. 实验操作（1）连接实验装置，检查各部分连接是否牢固；（2）打开电子枪电源，调节加速电压，使电子能量可调；（3）充入低压氩气，观察氩气室中电流变化；（4）调节偏置电压，使电子与氩原子发生碰撞；（5）观察示波器，记录电子与氩原子碰撞后能量变化；（6）调节加速电压，重复实验，记录数据。
弗兰克—赫兹实验报告
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 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 -G3031 3132 3233 3334 3435 IA 2. 2. 2. 3 3. 3. 4. 4. 5. 5.UG 4041 4142 4243 4344 4445 3 2. 2. 1. 1. 2. 3 3. 4. 5.UG 5051 5152 5253 5354 5455 IA 5. 4. 3. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 2.UG 6061 6162 6263 6364 6465 IA 9.9.8.7. 6. 5. 4. 3. 2. 1.UG 7071 7172 7273 7374 7475 IA 101011111110109.8. 6.UG 8081 8182 8283 8384 8485 IA 7.8.9.10111112121212UG 9091 9192 9293 9394 9495 IA 3. 4 4. 5. 6.8.9.1011 11UG 10101010101010101010IA 9.8.7. 6. 6. 6. 6. 6.7.8.UG 11111111111111111111IA 1414141313121110109.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。
弗兰克赫兹实验
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，它为研究电子的波粒二象性提供了直接的实验证据。
本文将详细介绍弗兰克赫兹实验的背景、原理、实验装置和观察结果，力求在3000字的篇幅内全面而详细地向读者展示这一经典实验。
弗兰克赫兹实验是由德国物理学家James Franck和Gustav Hertz于1914年共同进行的。
该实验旨在验证波粒二象性的理论，并对能级结构和能量传递的量子现象进行研究。
实验结果的发现对后来的量子力学理论发展起到了重要的推动作用。
实验所用的装置包括一个真空室、一个阴极和一个阳极。
阴极发射出高能电子，在经过加速电场后通过一个孔径进入真空室。
真空室内部有一系列金属薄片组成的收集极，这些薄片可以调节电子通过的路径。
阳极则负责测量电流的变化。
实验中，实验者通过改变收集极的电压和电流，以及调节阴极发射电流的强度，观察电子束在真空室内的行为变化。
结果表明，当电压较低时，电子束可以通过收集极，到达阳极，这是电子的波动性质的一种表现。
但是当电压逐渐增加，当达到一定值时，电子束却无法通过收集极，而被反射回来。
这一现象被解释为电子具有粒子性质，即通过电压控制电子的动能，达到一定能量的电子才能穿过收集极。
弗兰克赫兹实验的观察结果验证了电子具有波粒二象性的理论。
实验结果表明，电子既具有波动性质又具有粒子性质。
在低能量情况下，电子表现出波动性质，能够通过收集极。
但是当电子的能量增加到一定程度时，其粒子性质开始显现，电子被反射回来。
弗兰克赫兹实验的成功对于量子力学的发展有着重要的意义。
它证明了波粒二象性理论的正确性，推动了人们对粒子行为和能级结构的研究。
此后，人们对微观世界的认识逐渐深入，量子力学理论也得以建立和完善。
总结来说，弗兰克赫兹实验是一项重要的物理实验，通过研究电子的波粒二象性进行验证。
实验结果表明，电子既具有波动性质又具有粒子性质。
这一实验的成功推动了量子力学理论的发展，并对研究微观世界的行为和结构提供了重要的实验基础。