弗兰克赫兹实验
弗兰克赫兹实验
弗兰克－赫兹实验1．实验目的（1）用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在； （2）练习使用微机控制的实验数据采集系统。
2．实验原理根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的。
对于不同的原子，这些轨道上的电子束分布各不相同。
一定轨道上的电子具有一定的能量。
当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，原子就处于受激状态。
若轨道1为正常态，则较高能量的2和3依次称为第一受激态和第二受激态，等等。
但是原子所处能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个基本假设的制约：（1）定态假设。
原子只能处在稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值Ei （i ＝1，2，3，…），这些能量值是彼此分立的，不连续的。
（2）频率定则。
当原子从一个稳定状态过渡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：n m h E E ν=-其中346.6310h J s -=⨯⋅称作普朗克常数。
原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或放出电磁辐射时，二是当原子与其他粒子发生碰撞而交换能量时。
本实验就是利用具有一定能量的电子与汞原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。
由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需能量不能小于该原子从基态跃迁到第一受激态时所需的能量，这个能量称作临界能量。
当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。
这时，电子给予原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其余能量仍由电子保留。
一般情况下，原子在受激态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。
其频率υ满足下式g h eU ν=式中g U 为汞原子的第一激发电位。
所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。
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-赫兹实验是物理学中的经典实验之一。
它的目的是研究原子的结构。
据研究，原子是由电子，质子和中子组成的。
迄今为止，人们已经知道了原子的结构和组成；然而，在20世纪初，这个问题仍然是未解决的。
弗兰克-赫兹实验为研究原子组成和结构的理论提供了重要的实验证据，并为导致量子力学的发展做出了巨大的贡献。
弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年在法兰克福大学进行的。
该实验的设备是一个长长的玻璃管，该管内部有空气和水银蒸气。
两个电极置于管的两端，并且通过这些电极施加电压。
电压的值非常小，只有几伏特，这足以使大约1cm的空气分子缩短350倍的距离，从而使它们成为离子。
离子化后的分子可以很容易地被带电的电子撞击，从而被激发和解离。
当电流流经玻璃管时，可以看到荧光在管内产生。
这些荧光在玻璃管的长度方向上呈现出明显的不均匀性，因此称其为荧光不稳定的阶梯状。
最初，弗兰克和赫兹发现，当电压过低时，无论电压增加了多少，都看不到荧光的变化；而当电压增加到一定程度时，荧光的形式突然发生了变化。
随着电压的增加，荧光不再呈现出阶梯状，而是变成了均匀的条纹。
这种现象表明，在一定范围内，电压对原子的结构产生了明显的影响。
进一步的研究表明，当电压增加到一定水平时，玻璃管里的荧光又重新呈现出了阶梯形状。
这是因为这时电子的能量已经足够大，能够克服空气分子中的电子吸收势垒，从而到达下一个空能态。
电流在这种情况下变成了一个突发的脉冲，因为所有的电子都同时跳到了相同的能量级。
弗兰克-赫兹实验揭示了原子结构的本质，并为发展量子力学及以后的能量及频率论发展奠定了基础。
该实验对现代物理学的发展产生了深远的影响。
今天，该实验被广泛用于研究原子结构、半导体和太阳能电池等领域，为人们理解自然界和改进技术带来极大的帮助。
弗兰克—赫兹实验
弗兰克—赫兹实验弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。
该实验研究电子与原子碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。
该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。
1913年丹麦物理学家玻尔（N ❿Bohr ）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（J ❿Franck ）和赫兹（G ❿Hertz ）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。
【实验目的】 1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。
2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。
3、测量氩原子的第一激发电位；4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解； 【实验器材】智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器【实验原理】夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K ，阳极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 ，就能到达阳极形成阳极电流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。
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。
弗兰克赫兹实验报告
一、实验名称：弗兰克-赫兹实验二、实验目的：(1) 用实验的方法测定汞或者氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在； (2) 练习使用微机控制的实验数据采集系统。
三、实验原理：根据波尔的原子模型理论， 原子中一定轨道上的电子具有一定的能量。
当原子吸收或者放出电 磁辐射时或者当原子与其他粒子发生碰撞时， 原子状态会发生改变。
改变过程中原子的能量变 化不是任意的，而是受到波尔理论的两个基本假设的制约，即定态假设和频率定则。
由波尔理论可知， 处于基态的原子发生状态改变时， 其所需能量不能小于该原子从基态跃迁 到第一受激态时所需的能量， 这个能量称作临界能量。
当电子与原子碰撞时， 如果电子能量 小于临界能量，则发生弹性碰撞；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。
这时，电 子赋予原子以临界能量，剩余能量仍由电子保留。
本仪器采用 1 只充氩气的四极管，其工作原理图如下：当灯丝(H)点燃后，阴极(K)被加热，阴极上的氧化层即有电子逾出(发射电子)，为消 除空间电荷对阴极散射电子的影响， 要在第一栅极 (G ) 、阴极之间加之一电压 U (一栅、 阴电压) 。
如果此时在第二栅极 (G 2 ) 、阴极间也加之一电压 U G2K (二栅、 阴电压)， 发射的电子在电场的作用下将被加速而取得越来越大的能量。
起始阶段，由于较低，电子的能量较小，即使在运动过程中与电子相碰撞(为弹性碰撞)只 有弱小的能量交换。
这样，穿过 2 栅的电子到达阳极(A) [也惯称板极]所形成的电流(I ) 板流(习惯叫法，即阳极电流)将随2 栅的电压 U 的增加而增大，当 U 达到氩原子的第 一激发电位(11.8V)时，电子在2 栅附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。
电子把 加速电场获得的全部能量传递给了氩原子， 使氩原子从基态激发到第一激发态， 而电子本身 由于把全部能量传递给了氩原子， 它即使穿过 2 栅极， 也不能克服反向拒斥电场而被折回 2 栅极。
弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验（Frank-Hertz实验）是由德国物理学家威廉·赫兹和威廉·弗兰克于1914年完成的一项重要实验，旨在研究薛定谔方程在原子能级间的电子跳跃所导致的离子化能量变化。
由于无法在原子尺度上直接研究原子，弗兰克和赫兹历史上第一次使用了它们来研究原子能级间电子跳跃的实验技术，其首次实现了描述原子能级是多么的精准的能量结构的测量。
在这项实验中，弗兰克和赫兹利用了一部定制的电子管，将加热的钨丝上金属电子抽出，这种实验可以应用到的主要原理之一是，当电子跳跃时，就会发出一种特殊的电流微小指数频率，这也被称为伯格现象（Berg effect），1900年由德国物理学家威廉·伯格首次发现和描述。
利用这种技术，弗兰克和赫兹可以测量出原子能级给出的电流，据此计算出原子能级的能量差，尽管这种技术总共只能测量出原子的一个能级，但是，这便是薛定谔方程研究原子能级出现的关键原理和重要实验，以及未来任何继续研究原子能级结构必须建立在它之上的基础。
测量完原子能级结构之后，弗兰克和赫兹发现，对于原子内部电子跳跃有一种精准的离子化能量幅度，而这种幅度基本上和薛定谔方程的预期值一致，证明了薛定谔方程在原子能级间跳跃的存在，这也被人们认为是薛定谔方程的最关键的实验检验，从而最终在1925年蒙特卡罗和佩里条约之后得到了较大的广泛认可，也广泛确认了它与原子内电子跃迁有关。
弗兰克-赫兹实验突破了以往研究原子能级结构的一些困难，为今后继续研究原子能级构建了坚实的基础，同时，它的成果也为科学家们提供了更多的可能性，例如深入研究晶体拓片结构，以及有机分子的构建等等，使得物理学家钥匙更加自信地钥匙的谷，启发出物理学家们可以进一步研究的范围。
弗兰克赫兹实验原理和结论
弗兰克赫兹实验原理和结论
弗兰克赫兹实验是由德国物理学家詹姆斯·弗兰克和恩里科·赫兹于1914年共同进行的实验，它提供了关于原子结构的重要信息，特别是关于原子能级的存在。
实验原理：
1.实验装置：弗兰克-赫兹实验主要使用了一个玻璃管，其中充满了氢气或汞蒸气，这个管被分为两个电极区域。
2.电压加速电子：通过在管中施加电压，电子被加速并从一个电极移向另一个电极。
在途中，它们与气体分子碰撞。
3.测量电流：当电子通过管中的气体时，会发生多次弹性碰撞。
当电子的能量达到某个特定值时，它们会与气体分子发生非弹性碰撞，失去能量。
这一过程导致了电流的突然减小。
4.能级跃迁：当电子能量达到一定值时，它们可以克服气体分子的束缚，进入下一个能级。
这些能级的跃迁导致了电流的突然减小，因为电子被从原有的路径上移开。
实验结论：
1.能级存在：弗兰克-赫兹实验提供了关于原子内能级的首次实验证据。
实验证明，原子内存在离散的能级，而电子在这些能级之间跃迁。
2.能量量子化：实验证明了能量的量子化概念。
电子的能量不是连续的，而是以离散的量子形式存在，这支持了量子理论的发展。
3.波粒二象性：实验结果也支持了电子的波粒二象性。
电子表现出波动性和粒子性，这是量子力学的基本原理之一。
弗兰克-赫兹实验的成功对于后来量子力学的发展产生了深远的影响，它为揭示原子结构的奇妙世界打下了基础。
弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验夫兰克－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。
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】（1）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。
（2）了解研究原⼦内部能量问题时所采⽤的基本实验⽅法（3）了解电⼦与原⼦碰撞和能量交换过程的微观图象（4）进⼀步理解玻尔的原⼦理论【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Em和En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＝Em －En （1－2－1）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(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
弗兰克赫兹实验
弗兰克赫兹实验
弗兰克赫兹实验是指发明于1935年前苏联生物化学家及兽医Ignatov制定的，研究以小溪鱼鳃腔盖状体附着物为特征及传播折叠性疾病的实验。
此实验的初衷，是为了研究及治疗这类疾病。
当时Ignatov得出的结论是：疾病传播的可能性与附着物之间的重叠指数成正比。
在实验设计中，Ignatov采用的是被动的实验方法。
他先将一只小溪鱼的某一
特定部位（例如鳃腔盖）经过清洗处理，并提取某种物质来做为被试材料，作为实验试剂。
然后将其置于鳃腔者，以建立明显的悬挂传播机制，以了解病毒在鱼体内的传播规律。
通过反复实验，Ignatov得出了结论：病毒的传播发生的过程，是有规律的，
能快速传播的地方，病毒的累积会较显著，尤其是病毒的携带者与被感染者极近的地方。
这项实验，对认识疾病传播机制有着重要的贡献，其巨大影响穿越了时空，实
践多年以后，人类仍不懈地研究持之以恒，以促进制定更有效的疾病治疗减轻病痛。
弗兰克赫兹实验报告结论
弗兰克赫兹实验报告结论
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。
这项实验的结论也引起了人们的广泛关注和深入探究。
弗兰克赫兹实验是在20世纪初由德国物理学家弗兰克和赫兹进行的。
实验的目的是探究气体的导电性质，特别是气体的离子化和激发的过程。
实验的基本思路是把金属板置于气体中，然后通过加电压等方式激发气体分子，使其发生离子化或激发过程。
通过观察气体的导电性变化，可以推断气体离子化和激发的过程。
在实验中，弗兰克和赫兹使用了汞蒸气作为实验气体，并通过加电压的方式激发了气体分子。
他们发现，当电压达到一定值时，气体的导电性会发生显著的变化。
这个变化表明，气体分子发生了离子化或激发过程。
他们还通过观察气体的发光现象，证实了气体分子的激发和离子化过程。
通过这项实验，弗兰克和赫兹得出了一个重要结论：气体分子的激发和离子化过程是量子化的。
这个结论意味着，气体分子的激发和离子化过程只能发生在特定的能量水平上，而不能发生在其他能量水平上。
这个结论是量子力学的基础，对于原子物理和量子力学的发展具有重要的意义。
弗兰克赫兹实验还揭示了气体分子的性质和行为，对于气体物理学的发展也具有重要的意义。
这项实验的结论和方法也为其他领域的研究提供了参考和启示。
弗兰克赫兹实验的结论是原子物理和量子力学发展的重要里程碑，对于理解物质的微观结构和行为具有重要的意义。
它也为其他领域的研究提供了有价值的思路和方法。
2.4-实验验证之二：弗兰克—赫兹实验
一、弗兰克—赫兹实验
在玻尔理论发表的第二年，即1914年，夫兰克和赫 兹进行了电子轰击汞原子的实验，证明了原子内部能 量的确是量子化的。可是由于这套实验装置的缺陷， 电子的动能难以超过4.9ev，这样就无法使汞原子激发 到更高的能态，而只得到汞原子的一个量子态—— 4.9ev。
1920年，弗兰克改进了原来的实验装置，把电子的 加速与碰撞分在两个区域内进行，获得了高能量的电 子，从而得到了汞原子内一系列的量子态。
态能量E2 eU1 E2 E1
当电子的加速电压U<原子第一激发电势U1 电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换。
为“弹性碰撞”
电子碰撞前后速率不变
当电子的加速电压U≥原子第一激发电势U1 电子与原子碰撞发生动能与内能的交换 为“非弹性碰撞”
电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子
K IP
G2 P
第一激发态
第一激发电离能
电离能：电子从基态激发到 电离状态所需态激发到电离状态所 需的能量。
电离电势：与电离能相对 应的加速电压。
电离能
例题:用能量为12.6ev的电子轰击基态的氢原子,试求 1、氢原子所能达到的最高能态。 2、在能级图上标出受激发的氢原子向低能态跃迁时可能 发出的谱线，算出波长最短的一条。 3、基态氢原子的电力电势是多少？
2、玻尔理论指出了经典理论已不适应于原子内部，并 提出了定态和量子跃迁等新概念。处于某一能态En上的 原子并不辐射电磁波，只有当原子从某一能态向另一能 态Em（En>Em）跃迁时，才辐射光子。
Em En
h
实验表明这一结论对各种原子都正确。玻尔在这里成功地 克服了经典轨道模型的困难，并把卢瑟福的核式结构模型与 普朗克---爱因斯坦量子化概念，以及表面上看似乎与此并不 相干的光谱实验规律巧妙结合起来了，把光谱规律纳入理论 体系，并推导出里德伯常数，这开创了原子物理学向前发展 的途径，推动了光谱和原子结构等方面新的实验和理论工作。
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。
弗兰克赫兹实验
.::实验五夫兰克-赫兹实验中弱电流的测量::.图一夫兰克-赫兹实验中弱电流的测量1924年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克(James Franck ,1882-1964)和哈雷大学的G.赫兹(Gustav Hertz ,1887-1975),以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律。
弗兰克-赫兹实验中达到板极的电流极弱，约为10-8～10-7 A，对电流计的灵敏度要求较高，若采用电流计，则它的内阻较大（102～103Ω），对原电路有影响。
故本实验采用运算放大电路对弗兰克-赫兹实验中的板极电流进行测量。
集成运算放大器是一种能够检测和放大直流与交流信号的固体器件。
它具有输入阻抗高，开环增益高以及输出阻抗小等特点．目前广泛应用于计算机、自动控制、无线电技术和各种非电量的电测线路中。
.::实验预习::.【实验目的】1．了解原子能量量子化，测定汞或氩原子的第一激发电势；2．了解集成运算放大器的基本单元电路原理；3．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】1．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e V1=E1-E0(1)式(1)中，E1为第一激发态能量（第一激发态是距基态最近的一个能态），E0为基态能量，eV1为该原子第一激发能．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V G2K形成的电场加速而趋向板极P，只要电子能量足以克服减速电压V G2P形成的电场时，就能穿过栅极G2到达板极形成电流I p．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．如果电子能量小于第一激发能eV1，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I p，I p将随着V G2K的增大而增大．但当电子能量达到eV1时，电子与原子将在G2附近发生第一次非弹性碰撞，电子把能量eV1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I p的第一次下降．若使V G2K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V G2K达到两倍的eV1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．图一弗兰克-赫兹实验的原理图二弗兰克-赫兹实验曲线曲线极大极小的出现呈明显的规律性，它是原子能级量子化的体现．就图二的规律来说，每相邻极大或极小值之差即为第一激发能．2．弗兰克-赫兹（F-H）实验中弱电流的测量弗兰克-赫兹实验中达到板极的电流极弱，约为10-8～10-7A，对电流计的灵敏度要求较高，若采用电流计，则它的内阻较大（102～103Ω），对原电路有影响．故本实验采用运算放大电路（图三）对弗兰克-赫兹实验中的板极电流进行测量。
弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验尼尔斯·波尔（Niels Bohr,1885-1962）丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。
1885年10月7日生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大学数学系和自然科学系，主修物理学。
1907年以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖章，并先后于1909和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。
随后去英国学习，先在剑桥J ·J ·汤姆逊主持的卡文迪什实验室，几个月后转赴曼彻斯特，参加以E ·卢瑟福为首的科学集体，从此和卢瑟福建立了长期的密切关系。
波尔原子理论的两个假设：1、原子只能教长久的停留在一些稳定状态-“定态”，各定态能量彼此分隔的，原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能使原子从一个定态跃迁到另一定态。
2、原子从一个定态跃迁到另一定态而发射或吸收的能量时，辐射频率是一定的，即n m E E h -=ν弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。
（他们在研究慢电子轰击稀薄气体原子做原子电离点位测定时，偶然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）该实验研究电子与原子碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。
该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。
1925年的诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克和哈雷大学的G ·赫兹，以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律。
一、教学目的1．了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。
2．观察实验现象，加深对玻尔原子理论的理解。
3．由绘制的I P -V G2K 曲线求出氩原子的第一激发电势。
二、教学要求1、实验三小时完成。
2、理解玻尔原子理论。
3、了解弗兰克-赫兹干涉仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。
- 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)。
弗兰克－赫兹实验1．实验目的（1）用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在； （2）练习使用微机控制的实验数据采集系统。
2．实验原理根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的。
对于不同的原子，这些轨道上的电子束分布各不相同。
一定轨道上的电子具有一定的能量。
当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，原子就处于受激状态。
若轨道1为正常态，则较高能量的2和3依次称为第一受激态和第二受激态，等等。
但是原子所处能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个基本假设的制约：（1）定态假设。
原子只能处在稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值Ei （i ＝1，2，3，…），这些能量值是彼此分立的，不连续的。
（2）频率定则。
当原子从一个稳定状态过渡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：n m h E E ν=-其中346.6310h J s -=⨯⋅称作普朗克常数。
原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或放出电磁辐射时，二是当原子与其他粒子发生碰撞而交换能量时。
本实验就是利用具有一定能量的电子与汞原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。
由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需能量不能小于该原子从基态跃迁到第一受激态时所需的能量，这个能量称作临界能量。
当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。
这时，电子给予原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其余能量仍由电子保留。
一般情况下，原子在受激态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。
其频率υ满足下式g h eU ν=式中g U 为汞原子的第一激发电位。
所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。
弗兰克－赫兹实验的原理可用图 来说明。
其中弗兰克－赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充汞四极管。
第一栅极1G 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。
第一栅极1G 与阴极K 之间的电位差由电源G U 提供。
电源f U 加热灯丝FF ，使旁热式阴极K 被加热，从而产生慢电子。
扫描电源a U 加在栅极2G 和阴极K 之间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸汽朝栅极2G 运动。
由于阴极到栅极2G 之间的距离比较大，在适当的汞蒸气压下，这些电子与汞原子可以发生多次碰撞。
电源R U 在栅极2G 和极板P 之间建立一拒斥场，到达2G 附近而能量小于R eU 的电子不能到达极板。
极板电路中的电流强度P I 用微电流放大器A 来测量，其值大小反映了从阴极到达极板的电子数。
实验中保持R U 和G U 不变，直接测量极板电流P I 随加速电压a U 变化的关系。
加速电压a U 刚开始升高时，板极电流也随之升高，直到加速电压a U 等于或稍大于汞原子的第一激发电位，这时在栅极2G 附近电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量交给汞原子，使汞原子激发。
这些损失了能量的电子不能越过R U 产生的拒斥场，到达板极的电子数减少，所以电流开始下降，继续增加a U ，电子在与汞原子碰撞后还能在到达2G 前被加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而到达板极P ，这时电流又开始上升。
直到2G 与K 间的电压时二倍于汞原子的第一激发电位时，电子在2G 附近又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到达板极，电流P I 再度下降。
同样的道理，随着加速电压a U 的增加，电子会在栅极2G 附近与汞原子发生第三次、第四次、……非弹性碰撞，因而板极电流P I 就会相应下跌，形成具有规则起伏的P a I U -曲线。
图 是利用微电流放大器测得的汞原子的实验曲线，并由此定出汞原子的第一激发电位。
实验中板极电流P I 的下降并不是完全突然的，其峰值总有一定宽度。
这是由于从阴极发出的电子初始能量不完全一样，服从一定的统计规律。
另外由于电子与原子的碰撞有一定几率，当大部分电子恰好在栅极2G 前使汞原子激发而损失能量时，显然会有一些电子逃避了碰撞而直接到达板极，因此板极电流并不降到零。
3．实验仪器弗兰克－赫兹实验仪实验用线路图如图 所示。
所用仪器由弗兰克－赫兹管、加热炉、温度控制仪、稳压电源、微电流放大器和扫描电源六个部分构成。
各仪器的特点及操作注意事项介绍如下：（1）弗兰克－赫兹管。
这是一个具有双栅结构的柱面的充汞四极管。
其工作温区为100~210C C ︒︒，在小于180C ︒时可获得明显的第一谱峰。
（2）加热炉。
加热功率约400W 。
炉内温度均匀，保温性好。
面板为实验用接线板，弗兰克－赫兹管的各电极均已连到面板上各相应接线端。
背面由玻璃观察窗，可观察到受激原子从高能态返回到正常态时所辐射的光。
加热炉外形如图所示。
（3）温度控制仪。
它由交流温控电桥、交流放大器、相敏放大器、控温执行继电器四部分组成。
控温范围20~300C C ︒︒，控温精度1C ±︒，同时也能指示被控温度大小。
（4）稳压电源。
稳压电源输出分为三组，均可调节。
第一组作为灯丝电压，第二组作为拒斥场电压，第三组作为控制栅电压。
（5）扫描电源。
用以改变加速电压a U 。
输出波形：锯齿波，三角波。
扫描方式：手动，自动。
扫描电源上有电压表指示扫描电压大小。
为使读数精确，同时再外接一个量程200V 的数字电压表，指示该电压大小。
（6）微电流放大器。
该仪器使利用高输入阻抗运算放大器制成的I-U 变换器，可测量10810~10A A --的电流，在本实验中用来测量板极电流P I 。
使用时电路中接入一个微安表，指示被测电流的相对大小。
测量开始前调节“调零”旋钮，使电流表指针指零。
由于电流为电子流，应将极性开关扳到“－”。
微机控制的弗兰克－赫兹实验数据采集系统系统选用的数据采集卡是AC1095多功能12位A/D 接口板，它具有16路模拟输入，输入程控的放大倍数G ＝1、2、5、10，单极性输入幅度0V ～10V ，采样速率50kHz ，1路12位D/A 转换器等多种功能。
在选定实验条件后，整个实验过程由微机控制，在接口板D/A 端的输出信号去控制扫描电压，A/D 端采样，每次要采回两个实验数据，即加速电压a U 和板极电流P I 。
因加速电压较高，进入采集板的a U 是经过分压的，范围在0V ～10V 。
因此要准确地知道加到管子上的实际电压a U 是多少，就需要对采集进行标定。
4．实验步骤及注意事项（1）接线和检查线路：参考图 接线，将各电压调节旋钮反时针方向旋到底使电压最小；检查控温仪与加热炉之间连接线。
（2）加热炉和微电流放大器通电：根据实验室给定的炉温控制值，在控温仪上预置炉温值，接通加热炉、控温仪电源，同时开启微电流放大器的电源。
（3）摸索实验条件，定性观察~P a I U 变化情况：开启稳压电源和扫描电源。
根据给定的f U 、G U 、R U 控制值，先预置一组数。
扫描电源置“手动”。
缓慢增加a U ，观察板极电流P I 的变化情况，此时应能看到P I 的起伏变化。
分别改变f U 、G U 、R U 及炉温值，观察每格参量对P a I U -曲线的影响。
最后，要求随着a U 的增加能观察到P I 有8～10个峰，峰与谷的差别应比较明显，最大峰值应接近于电流表的满量程处，但又不过载，并且在三五分钟时间内P a I U -变化规律无明显改变。
在改变条件过程中，要注意以下几点：①每个参量不能超过最大允许值；②电流表不要过载；③f U 和炉温改变时，对P I 的影响有一定滞后时间，不要一下子改变很多。
每改变一次，等2min ～3min 再观察P I 的变化；④若电流P I 迅速增大，表明汞原子已明显电离，此时应立即减小 ⑤有时扫描电源也可置于“自动”，周期选用“40s ”。
（4）测量P a I U -曲线：在得到了满足3中要求的最佳条件，并待P a I U -变化规律也已达到稳定后，可开始逐点测量数据。
利用“手动”扫描方式，缓慢增加a U ，从0V 到60V 左右，逐点记录a U 及相应的P I 值。
合理选择测量间隔，峰值点附近测量点要多些。
（5）利用“自动”扫描方式和数据采集系统获得P a I U -曲线5．数据处理及误差分析U f,U G,U R对实验现象的影响当手动调节U f U G U R使得效果最佳时，灯丝电压U f=2.8V 拒斥场电压U R =6.3V 控制栅极电压U G =2.2V峰值电压表格6．思考题1．为什么I P-Ua呈周期性变化答：加速电压Ua刚开始升高时，极板电流也随之升高，直到加速电压Ua等于或者稍大于Ar原子的第一激发电压，这是在栅极G2附近电子与Ar原子发生非弹性碰撞，能量传递给Ar原子，Ar原子被激发。
这时候由于电子损失了大量的能量，不能够越过U R产生的拒斥场，使得到达极板的电子数目减少，所以电流开始下降，继续增加Ua，电子在于Ar 原子碰撞后还能在到达G2前辈加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而到达极板P，这是电流又开始回升。
直到G2与K之间的电压为2Ug时，电子在G2附近又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受拒斥场的作用不能到达极板，Ip再次下降。
同理，随Ua增加，电子会在栅极G2附近与Ar原子发生第三次、第四次……非弹性碰撞，从而形成有规则起伏的Ua-Ip曲线。
2．拒斥电压U r↑时，Ip如何变化？答：当Ur↑时，Ip↓。
当Ur达到一定程度电流表甚至会反向；当Uf↓时，Ip↓当Ug ↓时Ip↑3．灯丝电压Uf改变时，弗兰克——赫兹管内什么参量发生变化？答：Uf改变时，管内发射的电子数发生变化。
7．心得体会本次实验虽然操作比较简单，但是要想透彻却不容易，实验里出现的可变条件很多，Uf、Ua、Ug、Ur，他们对于Ip的影响是我们需要考虑的，根据实验原理分析得到它们与Ip 的关系并用实验证明是重点。
另外这些量联合作用效果又会不同，情况要复杂。
开始手动扫描之前找好各量之间关系确定最佳实验条件是难点。
这样在经过多次实验之后才能得到比较完美的结果。
本次实验需要较多探索，在开始的时候只告诉我们几个电压值的范围，而具具体应该取值当什么时候较好时却需要自己探索。
我刚开始实验时可能由于灯丝电压比较低，始终无法观察到Ip变化，后来调高了灯丝电压便观察到了变化，有时候就一点的电压变化就能够使得Ip有显著的变化。
不过灯丝电压太高也不可以，不仅会使得在后几个峰的时候超过微安表的量程，而且对于灯管也不利。
此外栅极电压和加速电压也不是越高越好，都有一个最适合的范围，来取得比较明显的效果。