10夫兰克赫兹实验仪实验 - 讲义
弗兰克-赫兹实验理论解释
弗兰克-赫兹实验理论解释弗兰克-赫兹实验理论解释：弗兰克—赫兹实验证明原子内部结构存在分立的定态能级。
这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。
使用弹性碰撞和非弹性碰撞的理论，法兰克和赫兹给予了这实验合理的解释。
当电压很低时，被加速的电子只能获得一点点能量。
他们只能与水银原子进行纯弹性碰撞。
这是因为量子力学不允许一个原子吸收任何能量，除非碰撞能量大于将电子跃迁至较高的能量量子态所需的能量。
由于是纯弹性碰撞，系统内的总动能大约不变。
又因为电子的质量超小于水银原子的质量，电子能够紧紧地获取大部分的动能。
增加电压会使电场增加，刚从阴极发射出来的电子，感受到的静电力也会加大。
电子的速度会加快，更有能量地冲向栅极。
所以，更多的电子会冲过栅极，抵达阳极。
因此安培计读到的电流也会单调递增。
水银原子的电子的最低激发能量是 4.9eV。
当加速电压升到4.9 伏特时，每一个移动至栅极的自由电子拥有至少 4.9eV动能（外加电子在那温度的静能）。
自由电子与水银原子可能会发生非弹性碰撞。
自由电子的动能可能被用来使水银原子的束缚电子从一个能量量子态跃迁至另一个能量量子态，从而增加了束缚电子的能极，称这过程为水银原子被激发。
但是，经过这非弹性碰撞，自由电子失去了 4.9eV 动能，它不再能克服栅极与阳极之间负值的电压。
大多数的自由电子会被栅极吸收。
因此，抵达阳极的电流会猛烈地降低。
假设加速电压超过 4.9 伏特，自由电子会在从阴极移动至栅极的路途中，遇到一个非弹性碰撞，失去 4.9 eV，然后继续被加速。
照着这方式，在电压超过 4.9V之后，电流重新单调递增。
当电压在 9.8 伏特时，情况又有改变。
每一个自由电子有足够的能量造成两次非弹性碰撞，失去 9.8eV 。
自由电子又无法抵达阳极。
安培计读到的电流再度会猛烈地降低。
电压每增加4.9 伏特，就会发生一次这种状况，电子累积足够能量(4.9eV 的整数倍)后，造成更多次的非弹性碰撞。
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年进
行的一系列实验，旨在研究气体中的原子能级和电子束的能量损失。
该实验通过在真空管中加入气体，并在管内施加电压，观察电子束在不同电压下的能量损失情况，从而揭示了原子的内部结构和量子力学理论的基本特征。
实验中，弗兰克-赫兹装置由真空管、热阴极、加速电极和收
集电极组成。
当施加一定的电压时，热阴极会发射出高速电子束，这些电子束被加速电极加速，并穿过气体分子，与气体分子发生碰撞。
碰撞过程中，电子束会损失能量，并且在经过一定距离后，电子束的能量足够小，无法再次与气体分子发生碰撞。
此时，收集电极上会出现一个电流峰值，用示波器可以观测到电流的变化。
通过实验，弗兰克和赫兹发现，在一定的电压下，电流会周期性地发生变化。
这是因为在气体分子中，原子的能级是离散的，当电子束的能量刚好等于某个原子的激发能级时，电子束与原子发生共振，从而能量发生最大损失，使得电流达到峰值。
随着电压的进一步增加，电子束的能量继续增加，可以与更多的原子发生共振，电流会再次出现峰值。
因此，实验结果证明了原子的能级是离散的，不连续的，符合量子力学理论的观点。
弗兰克-赫兹实验的结果对后来量子力学的发展起到了重要的
作用。
量子力学的提出对于解释和理解微观粒子的行为具有重要意义，并成为现代物理学的基石之一。
物理实验之弗兰克-赫兹实验
物理实验之弗兰克-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，它为我们理解原子结构和电子能级的研究提供了重要的证据。
在这篇3000字的文章中，我将为你详细介绍弗兰克-赫兹实验的原理、过程和实验结果，希望能帮助你更好地理解这一实验。
弗兰克-赫兹实验于1914年由德国物理学家詹金斯·弗兰克和恩斯特·赫兹完成。
他们使用的实验装置主要包括一个玻璃管和一个甘汞蒸气灯。
在这个实验中，他们使用了高压电源将电流通过一个附带气体的玻璃管中，通过测量电流和电压的变化来观察气体原子中电子的行为。
实验的过程如下：首先，弗兰克-赫兹实验首先需要将气体灌入玻璃管中，并确保玻璃管处于真空状态。
然后，一个电压源与玻璃管相连接，通过调节电压源上的电压，使电流通过玻璃管中的气体。
这样，气体原子中的电子就会接收到能量，并跃迁到较高的能级。
当电子跃迁到较高的能级时，通过电流变化观察到的现象就是电压－电流图像中出现的突变。
这是因为跃迁能级需要一定的能量，只有当电压达到一定值时，电子才能够跃迁到更高的能级。
而当电压低于这个临界值时，电子无法跃迁，导致电流没有明显变化。
通过不断地改变电压值，并相应地测量电流的变化，我们可以得到一系列的跃迁能级。
这些跃迁能级的数值与原子的能级结构有关。
通过分析这些数据，我们可以了解到电子在原子中的排布情况以及原子的能级结构。
弗兰克-赫兹实验的实验结果为后来的量子力学理论的发展奠定了基石。
这个实验证实了电子只能在特定的能级之间跃迁，而不能在连续的能级之间跃迁。
这与经典物理学中电子在连续能级上运动的观点不同，它表明了原子的能级结构具有离散的性质。
这个观点后来成为了量子力学的基础。
通过弗兰克-赫兹实验，我们还可以了解到不同种类的气体可见的跃迁能级是不同的。
这为我们进一步研究气体的组成和性质提供了重要的线索。
实际上，弗兰克-赫兹实验的成功也鼓励了其他科学家进行类似的研究，从而推动了原子物理学的发展。
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克-赫兹实验是一种实验证明了原子存在能级结构的方法。
实验装置是由一个玻璃管组成，管中充满了一定压强的稀有气体，例如氖或汞。
管内有两个金属电极，它们之间的距离可以调整。
一个电极通过电源提供连续可调的电压，而另一个电极则与一个电流计连接。
在实验中，当电场强度较小时，电子在气体原子与离子之间碰撞并散射，电流计的读数较低。
然而，当电场强度逐渐增大，电子能量足以克服碰撞散射并在离子之间穿越管中距离，电流计的读数会急剧增加。
这是因为电子在穿过管中时与离子碰撞，使电子失去了能量。
离子通过电子捕获过程重新获得能量，使得电子能够再次穿越管中。
实验结果显示，电流计的读数在不同电压下会出现多个峰值，这些峰值对应着不同电子能量所产生的现象。
这证明了稀有气体中存在能级结构，每个能级之间相差特定的能量。
通过测量峰值之间的电压差，可以确定离子能级的能量差。
这个实验对量子力学的发展起到了重要作用，奠定了原子物理学的基础。
它不仅证实了能级结构的存在，也为后续关于原子结构的研究提供了理论依据。
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克赫兹实验原理弗兰克-赫兹实验原理弗兰克-赫兹实验是一项重要的实验，它深刻地揭示了原子结构和能级的存在，对于后来的量子力学理论的发展起到了重要的推动作用。
本文将介绍弗兰克-赫兹实验的原理以及实验过程，并探讨其在科学研究中的重要性。
弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家詹姆斯·弗兰克和格斯塔夫·赫兹于1914年进行的。
实验的目的是观察气体原子在电场作用下的能量转移过程，并验证原子存在能级结构的理论。
实验装置主要由一个玻璃管和一对电极构成。
玻璃管内充满了待研究的气体，如氩气或汞蒸气。
两个电极分别被连接到电源上，形成一个电场。
当电压施加到电极上时，气体原子会受到电场力的作用，加速运动。
当原子与电极碰撞时，它们会失去一部分动能，而这部分动能就被转化为电子的能量。
这些电子会继续向阳极移动，并在途中与气体原子发生碰撞。
根据经典物理学的理论，电子会逐渐失去能量，直到停止运动。
然而，弗兰克和赫兹的实验结果却与经典理论相悖。
他们发现，在一定条件下，电子在与气体原子碰撞后仍然具有足够的能量继续运动。
他们通过测量电流的变化来研究这个现象。
当电子能量低于一定值时，电流会急剧增加，而当电子能量高于这个值时，电流会显著减小。
这表明电子在与气体原子碰撞后会发生能量的定量跃迁，而不是像经典理论所预测的逐渐损失能量。
弗兰克和赫兹的实验结果进一步证明了气体原子存在能级结构的假设。
根据量子力学的理论，原子的能级是离散的，而电子只能在这些离散能级之间跳跃。
当电子跃迁到一个较低能级时，会释放出能量，而当电子跃迁到一个较高能级时，会吸收能量。
弗兰克-赫兹实验观察到的电流变化正是因为电子在与气体原子碰撞时发生能量的跃迁。
弗兰克-赫兹实验的重要性在于它验证了原子存在能级结构的理论，为后来量子力学的发展奠定了基础。
量子力学是描述微观世界行为的理论，它解释了原子和分子的结构、能级和光谱等现象。
而弗兰克-赫兹实验的结果直接证明了原子能级的存在，为量子力学的发展提供了实验依据。
弗兰克_赫兹实验PPT展示
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再见
28.0
20.4 32.8 38.0 39.5 18.0 44.9 25.8 50.4 37.9 55.5 50.0
28.5
10.0 33.5 20.6 39.9 18.2 45.0 24.0 50.5 37.8 55.8 50.0
28.9
6.1 34.0 11.8 40.0 18.0 45.2 24.8 50.6 38.0 56.0 49.4
29.0
5.8 34.4 11.8 40.5 29.0 45.5 24.8 51.0 43.0 56.1 50.2
29.1
6.8 34.5 10.0 41.0 39.8 46.0 41.2 51.5 54.0 56.5 59.0
29.5
9.0 34.6 11.8 41.5 50.0 46.5 52.0 52.0 66.0 57.0 61.0
实验曲线的物理分析
对于第一个问题,弗兰克赫兹管 设置了第一栅极,通过第一栅极电压 的作用,来改善这一状况
控制栅G1 加速栅G2 板极 P 灯丝F 阴极 K
弗兰克赫兹管
实验曲线的物理分析
实验结论
1 峰点连线 从数学角度看,极板电流与加速电压关系曲线的峰 点连线是一条直线。进一步的分析研究证实,该直线既 不依赖于灯丝电压的变化,也不依赖于拒斥电压的变化, 应该是某种固有性质的表现。考虑到该直线的斜率具 有电导的量纲,且在误差范围内该直线经过坐标原点。 所以,该直线斜率代表的是弗兰克赫兹管的临界电导 (即临界状态下的电导).
实验曲线Байду номын сангаас物理分析
2 谷底高度 曲线的谷底均不在横坐标轴上,而具有一定的高度. 这一特征表明,即使是在热电子与气体原子发生碰撞损失 能量的高峰期,极板电流也不为0.此时,极板电流由那些没 有因碰撞而损失能量的热电子的贡献所致,称之为谷底电 流。从实验结果来看,有以下特点: 1)第一个谷底为电子不发生一次碰撞的概率,第二个谷 底为电子不发生一次碰撞的概率与发生一次碰撞但不发生 二次碰撞的概率之和,以此类推; 2)前三个谷底均较为偏低,反映出热电子在与气体原子 发生碰撞损失能量的过程中,发生1~3次连续碰撞的概率最 大,之后越来越小.
大学物理实验夫兰克-赫兹实验讲义
夫兰克-赫兹实验一、实验简介1914年夫兰克(J ·Franck)和赫兹(G ·Hertz)所作的实验(即著名的Franck-Hertz 实验)，用电子碰撞原子的方法，观察测量到了汞的激发电位和电离电位。
从而证明了原子能级的存在，为前一年玻尔发表的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。
为此他们分享了1925年的诺贝尔物理学奖。
他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一.为了研究原子内部的能态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用低速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原子内部量子化能级的存在。
二、实验目的1、观察Ar 、H g 原子能级的量子化现象2、观测实验各参数对实验曲线的影响3、测量H g 或Ar 原子的第一激发电位4、测量H g 原子的电离电位三、实验原理图 1 Hg 原子能级图其中61S 0（0eV ）为基态，63P 1（4.9eV ）为激发态，63P 0（4.7eV ）、63P 2（5.47eV ）为亚稳态。
实现能级跃迁吸收光子 νh E E E n m =-=∆原子与电子碰撞 24222c m c m c p eU E E E e e n m -+==-=∆处于激发态的原子不稳定， 发射光子回到低能态。
四、实验方法实验原理图F-H 管内充汞，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，提供足够的碰撞空间已保证合适的碰撞概率，P 接收电子，PG 2加一遏止电压，使损失了动能的电子不能到达P 而形成电流。
图2 测激发曲线原理图实验曲线图 3 激发曲线示意图碰撞过程及能量交换此过程在G 1G 2空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，不能到达P 从而不能形成电流。
大学物理实验讲义实验弗兰克赫兹实验
实验06 弗兰克-赫兹实验1913年，丹麦物理学家玻尔（N ．Bohr ）提出了一个氢原子模型，并指出原子存在能级。
该模型在预言氢光谱的观察中取得了显着的成功。
根据玻尔的原子理论，原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。
1914年，德国物理学家夫兰克（J ．Franck ）和赫兹（G ．Hertz ）对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进，他们同样采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，但着重观察碰撞后电子发生什么变化（勒纳则观察碰撞后离子流的情况）。
通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级。
直接证明了原子发生跃变时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证明了原子能级的存在，从而证明了玻尔理论的正确。
由而获得了1925年诺贝尔物理学奖金。
夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术。
【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。
【仪器用具】ZKY-FH-2型智能夫兰克-赫兹实验仪、SS7802型双综示波器【实验原理】1．关于激发电位：玻尔提出的原子理论指出：（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态）。
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。
原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能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而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。
如果用E m 和E n 分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率ν决定于如下关系：n m E E h -=ν （1） 式中，普朗克常数h = 6．63 ×10-34 J ·sec 。
为了使原子从低能级向高能级跃迁，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的办法来实现。
弗兰克赫兹实验讲义
弗兰克—赫兹实验1913年丹麦物理学家玻尔（N❿Bohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。
该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量E m）向低能态（能量E n）跃迁时才辐射。
辐射能量满足∆E = E m-E n（1）对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。
1914年德国物理学家弗兰克（J❿Franck）和赫兹（G❿Hertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。
后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。
弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。
玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获此奖。
夫兰克——赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。
一、实验目的1、研究弗兰克—赫兹管中电流变化的规律2、测量氩原子的第一激发电位；证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。
二、实验仪器LB-FH弗兰克-赫兹实验仪，示波器三、实验原理夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，氧化物阴极K，阳极A，第一、第二栅极分别为G1、G2。
图1弗兰克-赫兹实验原理图灯丝电压K-G 1-G 2加正向电压，为电子提供能量。
V G1K 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eV G2K ，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。
《弗兰克赫兹实验》课件
本课件将介绍弗兰克赫兹实验的原理、目的、步骤以及结果分析，旨在向大 家详细介绍这一重要的实验，并展示其影响。
实验介绍
弗兰克赫兹实验是由弗兰克和赫兹于1914年首次进行的，它利用射线与气体 原子的碰撞来研究能量的传递与吸收，揭示了原子层能级结构的重要信息。
实验目的
这个实验的目的是验证玻恩模型中的能级理论，探究原子的能量传递与吸收特性，以及通过对气体的激 发和离子化过程，对原子层能级结构进行研究。
弗兰克赫兹实验的成果与量子 力学理论相结合，促进了量子 力学的研究与应用。
科学研究与实践
借鉴弗兰克赫兹实验的思路和 方法，可以在其他领域进行类 似的实验，推动科学研究的备
搭建弗兰克赫兹实验所需的实验装置，包括真空室、电子枪、气体放电管等。
2
能量变化观察
通过变化加速电压和测量电流的方式，观察气体原子在能量吸收与传递过程中的 特性。
3
数据记录与分析
记录实验数据并进行分析，包括能量峰值的出现、电流的变化等，得出相关结论。
实验结果分析
能量峰值
观察到在某些能量值下，电流会发生显著变 化，形成能量峰值，这证实了原子能级结构 的存在。
2 仪器检查
每次进行实验前，需仔细检查实验装置的各个部件是否正常工作，以确保实验结果的准 确性。
3 精确测量
在进行实验时，要使用精准的测量仪器，并注意测量的准确性，以获取可靠的实验结果。
实验延伸
原子模型研究
利用弗兰克赫兹实验的结论， 可以深入研究原子的结构和性 质，推动原子物理学的发展。
量子力学应用
能级跃迁
实验结果表明，气体原子在能量吸收过程中 发生了能级跃迁，电子从低能级跃迁到高能 级。
大学物理实验讲义实验01 弗兰克-赫兹实验
实验06 弗兰克-赫兹实验1913年，丹麦物理学家玻尔（N ．Bohr ）提出了一个氢原子模型，并指出原子存在能级。
该模型在预言氢光谱的观察中取得了显著的成功。
根据玻尔的原子理论，原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。
1914年，德国物理学家夫兰克（J ．Franck ）和赫兹（G ．Hertz ）对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进，他们同样采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，但着重观察碰撞后电子发生什么变化（勒纳则观察碰撞后离子流的情况）。
通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级。
直接证明了原子发生跃变时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证明了原子能级的存在，从而证明了玻尔理论的正确。
由而获得了1925年诺贝尔物理学奖金。
夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术。
【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。
【仪器用具】ZKY-FH-2型智能夫兰克-赫兹实验仪、SS7802型双综示波器【实验原理】1．关于激发电位：玻尔提出的原子理论指出：（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态）。
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。
原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能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而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。
如果用E m 和E n 分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率ν决定于如下关系： n m E E h -=ν （1） 式中，普朗克常数h = 6．63 ×10-34 J ·sec 。
为了使原子从低能级向高能级跃迁，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的办法来实现。
080903弗兰克-赫兹实验讲义2007-9-10
1914 年夫兰克和赫兹所用的是一支充汞的三极管，只有阴极、加速栅极和板极。1920 夫兰 克对原装置作了改进，使电子在加速区内获得高于 4.9eV 的能量，可测得汞原子的一系列量子 态，进一步证实了原子内部能量状态的不连续性。
2
图 2 充汞 F-H 管的 Ip-U2 特性曲线 实验仪器
图 3 是 F-H 实验的实验装置图，其中右侧为装有 F-H 管的控温加热炉，左下为稳压电源， 左上微电流测量放大器和扫描控制装置。数据输出可连接到函数记录仪。
继续增大 U2 ，电子的动能又会增加，当电子积累的动能足以克服反向拒斥电压 UG2P 的作 用时，即 eU2-（E2-E1）>eUG2P 时，电子又能到达板极，使板流 IP 回升。当 U2 增大到 2U0 时， 电子经第一次非弹性碰撞后的剩余能量足以使其与汞原子产生第二次非弹性碰撞，汞原子再次 从电子中取得能量，能量交换的结果使 IP 再次下降。同理可知，U2 继续增大时，电子会在第二 栅极 G2 附近与汞原子发生第三次、第四次、……非弹性碰撞，引起板流 IP 的相应下跌。可见， 随着加速电压 U2 的增加，板流 IP 会周期性地出现极大值和极小值，凡满足加速电压 U2=nU0 （n=1,2,3,……）时，板流 IP 都会相应下跌，形成规则起伏的 IP-U2 特性曲线。曲线各峰值之间 的等间隔规律表明：碰撞过程中电子有确定的能量传递给汞原子，而与相邻的两板流极大值（或 极小值）所对应的加速电压的差值就是汞原子的第一激发电位 U0 。它的公认值为 4.9V。
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夫兰克－赫兹实验1913年，丹麦物理学家玻尔（N．Bohr）提出了一个氢原子模型，并指出原子存在能级。
根据玻尔的原子理论，原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。
1914年，德国物理学家夫兰克（J．Franck）和赫兹（G. Hertz）通过实验的测量，发现电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级。
直接证明了原子发生跃变时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证明了原子能级的存在，从而证明了玻尔理论的正确。
由而获得了1925年诺贝尔物理学奖金。
【实验目的】夫兰克一赫兹实验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。
【实验原理】1．关于激发电位：玻尔提出的原子理论指出：（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态）。
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。
原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能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而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。
如果用E m和E n分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率ν决定于如下关系：hν＝E m－E n（1-2-1）式中，普朗克常数h= 6.63 ×10-34J·s为了使原子从低能级向高能级跃迁，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的办法来实现。
设初速度为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量eU0。
当具有这种能量的电子与稀薄气体的原子（比如十几个乇的氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。
如以E1代表氩原子的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原子吸收从电子传递来的能量恰好为eU0 = E2－E1 （l-2-2 ）时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态。
而且相应的电位差称为氩的第一激发电位（或称氩的中肯电位）。
测定出这个电位差U0，就可以根据（l-2-2）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了（其他元素气体原子的第一激发电位亦可以此法求得）。
夫兰克一赫兹实验的原理图如图一所示。
在充氩的夫兰克一赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压U G2K使电子加速。
在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压U G2A 。
管内空间电位分布如图二所示。
当电子通过KG2空间进入G2A 空间时，如果有较大的能量（≥e U G2A ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成板极电流，为微电流计μA表检出。
如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己一部分能量传给氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以致通过第二栅极后已不足于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计μA表的电流将显著减小。
实验时，使U G2K电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观察到如图三所示的I A～U G2K曲线。
图三所示的曲线反映了氩原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。
当KG2空间电压逐渐增加时，电子在KG2空间被加速而取得越来越大的能量。
但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子相碰撞也只有微小的能量交换（为弹性碰撞）。
穿过第二栅极的电子所形成的板极电流I A 将随第二栅极电压U G2K 的增加而增大（如图三的oa 段）。
当KG2间的电压达到氩原子的第一激发电位U o 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交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。
而电子本身由于把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折回第二栅极（被筛选掉）。
所以板极电流将显著减小（图三所示ab 段）．随着第二栅极电压的增加，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而达到板极A ，这时电流又开始上升（ bc 段）。
直到 KG 2间电压是二倍氩原子的第一激发电位时，电子在KG 2间又会因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（cd 段），同理，凡在U GK2 ＝ n U o （ n ＝1，2，3 …… ） （ 1-2-3） 的地方板极电流I A 都会相应下跌，形成规则起伏变化的I A ～U GK2 曲线。
而各次板极电流I A 下降相对应的阴、栅极电压差U n+1一U n 应该是氩原子的第一激发电位U o 。
本实验就是要通过实际测量来证实原子能级的存在，并测出氩原子的第一激发电位（公认值为 U o ＝11.61V ）。
原子处于激发态是不稳定的。
在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，进行这种反跃迁时，就应该有e U o 电子伏特的能量发射出来。
反跃迁时，原子是以放出光量子的形式向外辐射能量。
这种光辐射的波长为λνch h eU o == （ 1-2-4）对于氩原子 10815.11106.11000.31063.619834=⨯⨯⨯⨯⨯==--m eU hc o λÅ 如果夫兰克一赫兹管中充以其他元素，则可以得到它们的第一激发电位（表一）【实验系统构成】●FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪 一台●示波器 一台【实验内容及步骤】1、 准备1.1 熟悉实验仪使用方法（见附录1）1.2 按照附录2要求连接夫兰克赫兹管各组工作电源线，检查无误后开机。
将实验仪预热20～30分钟。
开机后的初始状态如下：●实验仪的“1mA”电流档位指示灯亮，表明此时电流的量程为1mA档；电流显示值为0000.（10-7A）；●实验仪的“灯丝电压”档位指示灯亮，表明此时修改的电压为灯丝电压；电压显示值为000.0V；最后一位在闪动，表明现在修改位为最后一位；●“手动”指示灯亮。
表明仪器工作正常。
2、氩元素的第一激发电位测量2.1手动测试a.设置仪器为“手动”工作状态，按“手动/自动”键，“手动”指示灯亮。
b.设定电流量程（电流量程可参考机箱盖上提供的数据）按下相应电流量程键，对应的量程指示灯点亮。
c.设定电压源的电压值（设定值可参考机箱盖上提供的数据），用↓ / ↑，←／→键完成，需设定的电压源有：灯丝电压V F、第一加速电压V G1K、拒斥电压V G2A 。
d.按下“启动”键，实验开始。
用↓/ ↑，←／→键完成V G2K电压值的调节，从0.0V起，按步长1V（或0.5V）的电压值调节电压源V G2K，同步记录V G2K值和对应的I A 值，同时仔细观察夫兰克一赫兹管的板极电流值I A的变化（可用示波器观察）。
切记为保证实验数据的唯一性V G2K电压必须从小到大单向调节，不可在过程中反复；记录完成最后一组数据后，立即将V G2K电压快速归零。
e.重新启动在手动测试的过程中，按下启动按键，V G2K的电压值将被设置为零，内部存储的测试数据被清除，示波器上显示的波形被清除，但V F、V G1K、V G2A、电流档位等的状态不发生改变。
这时，操作者可以在该状态下重新进行测试，或修改状态后再进行测试。
建议：手动测试I A-V G2K，进行一次或修改V F值再进行一次。
2.2自动测试智能夫兰克一赫兹实验仪除可以进行手动测试外，还可以进行自动测试。
进行自动测试时，实验仪将自动产生V G2K扫描电压，完成整个测试过程；将示波器与实验仪相连接，在示波器上可看到夫兰克一赫兹管板极电流随V G2K电压变化的波形。
a.自动测试状态设置自动测试时V F、V G1K、V G2A及电流档位等状态设置的操作过程，夫兰克一赫兹管的连线操作过程与手动测试操作过程一样。
b.V G2K扫描终止电压的设定进行自动测试时，实验仪将自动产生V G2K扫描电压。
实验仪默认V G2K扫描电压的初始值为零，V G2K扫描电压大约每0.4秒递增0.2伏。
直到扫描终止电压。
要进行自动测试，必须设置电压V G2K的扫描终止电压。
首先，将“手动／自动”测试键按下，自动测试指示灯亮；按下V G2K电压源选择键，V G2K电压源选择指示灯亮；用↓ / ↑，←／→键完成V G2K电压值的具体设定。
V G2K设定终止值建议以不超过85V为好。
c.自动测试启动将电压源选择选为V G2K，再按面板上的“启动”键，自动测试开始。
在自动测试过程中，观察扫描电压V G2K与夫兰克一赫兹管板极电流的相关变化情况。
（可通过示波器观察夫兰克一赫兹管板极电流I A随扫描电压V G2K变化的输出波形）在自动测试过程中，为避免面板按键误操作，导致自动测试失败，面板上除“手动／自动”按键外的所有按键都被屏蔽禁止。
d.自动测试过程正常结束当扫描电压V G2K的电压值大于设定的测试终止电压值后，实验仪将自动结束本次自动测试过程，进入数据查询工作状态。
测试数据保留在实验仪主机的存贮器中，供数据查询过程使用，所以，示波器仍可观测到本次测试数据所形成的波形。
直到下次测试开始时才刷新存贮器的内容。
e.自动测试后的数据查询自动测试过程正常结束后，实验仪进入数据查询工作状态。
这时面板按键除测试电流指示区外，其他都已开启。
自动测试指示灯亮，电流量程指示灯指示于本次测试的电流量程选择档位；各电压源选择按键可选择各电压源的电压值指示，其中V F、V G1K、V G2A三电压源只能显示原设定电压值，不能通过按键改变相应的电压值。
用↓ / ↑，←／→键改变电压源V G2K的指示值，就可查阅到在本次测试过程中，电压源V G2K的扫描电压值为当前显示值时，对应的夫兰克一赫兹管板极电流值I A的大小，记录I A的峰、谷值和对应的V G2K值（为便于作图，在I A的峰、谷值附近需多取几点）。
f.中断自动测试过程在自动测试过程中，只要按下“手动／自动键”，手动测试指示灯亮，实验仪就中断了自动测试过程，原设置的电压状态被清除。
所有按键都被再次开启工作。
这时可进行下一次的测试准备工作。
本次测试的数据依然保留在实验仪主机的存贮器中，直到下次测试开始时才被清除。
所以，示波器仍会观测到部分波形。
g.结束查询过程回复初始状态【附录1】实验仪面板简介及操作说明1.夫兰克－赫兹实验仪前后面板说明1.1、夫兰克－赫兹实验仪前面板如下图所示，以功能划分为八个区：区〈1〉是夫兰克－赫兹管各输入电压连接插孔和板极电流输出插座；区〈2〉是夫兰克－赫兹管所需激励电压的输出连接插孔，其中左侧输出孔为正极，右侧为负极；区〈3〉是测试电流指示区：四位七段数码管指示电流值；四个电流量程档位选择按键用于选择不同的最大电流量程档；每一个量程选择同时备有一个选择指示灯指示当前电流量程档位；区〈4〉是测试电压指示区：四位七段数码管指示当前选择电压源的电压值；四个电压源选择按键用于选择不同的电压源；每一个电压源选择都备有一个选择指示灯指示当前选择的电压源；区〈5〉是测试信号输入输出区：电流输入插座输入夫兰克－赫兹管板极电流；信号输出和同步输出插座可将信号送示波器显示；区〈6〉是调整按键区，用于：改变当前电压源电压设定值；设置查询电压点；区〈7〉是工作状态指示区：通信指示灯指示实验仪与计算机的通信状态；启动按键与工作方式按键共同完成多种操作；区〈8〉是电源开关：1.2夫兰克－赫兹实验仪后面板说明夫兰克－赫兹实验仪后面板上有交流电源插座，插座上自带有保险管座；如果实验仪已升级为微机型，则通信插座可联计算机，否则，该插座不可使用。