弗兰克赫兹实验数据处理
弗兰克-赫兹实验实验报告
课程名称：大学物理实验（二）
实验名称：弗兰克-赫兹实验
图2.1 弗兰克-赫兹管原理图
设氩原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2
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。
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从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。
位差为U0则
eU0=E2−E1
图3.1弗兰克-赫兹仪实物图
对应的V G2是内部的锯齿电压，作用是急速电压自动变化。
对应于示波器观测模
I P(×10-8A)
U G2(×
图6.1 加速电压与电流的关系图
可以发现电流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，且两相邻谷点(或峰尖)即为氩原子的第一激发电位值。
同时，可以读出峰谷的横坐标值。
峰的横坐标值如下表：
表6.1 加速电压与电流的关系图的峰横坐标记录表
第二个峰X3第三个峰X5第四个峰X7第五个峰X9
2.90 4.08 5.25 6.46
表6.2 加速电压与电流的关系图的锋横坐标记录表
第二个谷X4第三个谷X6第四个谷X8第五个谷X10
3.52
4.66
5.84 7.04
算出氩原子的第一激发电位。
弗兰克赫兹实验 实验报告
电流/10 A 8 7.9 8.1 10 12 16 20 24 26 28 26 26 25 24 22 19 14 12 11.6 13.8 15 24 29 26 22 17 13.8 14 15 17.6 22 25 26 24 22.4 21 16
-8
较高激发电位测量
U/V 8.9 9.5 9.8 9.9 10 10.2 10.3 10.6 10.9 11.3 11.5 11.9 12 12.3 12.5 12.8 12.9 13.2 13.4 13.6 13.8 14 14.2 14.6 15.8
I/10 A 2 4 10 11 14 18 19 19 19.2 18.4 15 12 12.4 13.6 12.1 10.6 8.2 6.2 8 4 4 4.2 4 3.8 5
-8
电压/V 20.3 20.5 20.8 21 21.3 21.5 21.8 22.1 22.3 22.6 22.8 23 23.3 23.6 23.9 24.1 24.3 24.6 25.1 25.6 26.1 26.6 27 27.2 27.5 28 28.2 28.5 28.9 29.1 29.3 29.5 29.7 29.9 30.3 30.7 31.1 31.4 31.5 31.8
电流/10 A 3.2 5.9 9.8 11 12.2 16 21 20.2 20 17 12.1 9.6 5.9 1.2 1 0.5 0.4 1.4 5 11.7 22 26 29 29 22 14 10 6 2.1 1.9 1.5 1.9 2.8 4.4 11 16 24 26 25.7 26
-8
表 3 汞原子较高能级部分数据点 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 电压/V 11.49274 12.52169 17.99697 18.97993 19.68123 20.71018 21.41148 22.11277 22.39444 24.17067 25.80895 26.74592 27.21154 27.77487 28.617 30.06558 等效电压/V 4.9 5.92895 11.40423 12.38719 13.08849 14.11744 14.81874 15.52003 15.8017 17.57793 19.21621 20.15318 20.6188 21.18213 22.02426 23.47284 电流/10nA 18.01903 19.96102 19.27623 13.61533 8.01061 7.15374 6.06511 7.89472 9.21162 14.92871 18.99178 11.04123 14.01566 12.12635 9.09573 17.04628 可能组合 f c+f c+d 2c 3f f+d+c f+d+b 3c -
弗兰克赫兹实验数据处理
数据处理（1） 计算第一激发电势和相对误差IA--UG2K 曲线数据2.8V2.6V3.0V电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA电压/V 峰1 32.6 124.9 32.6 35.7 33.0 251.4 谷1 36.9 71.4 37.1 19.6 36.9 151.5 峰2 43.0 308.7 43.2 91.0 43.4 657.7 谷2 48.1 103.5 48.3 26.8 48.0 220.5 峰3 54.6 560.3 54.6 169.5 54.7 1258.4 谷3 59.5 157.0 59.7 42.8 59.4 369.4 峰4 66.4 851.2 66.2 258.7 66.5 2004.2 谷471.5289.171.580.371.1742.70.0500.01000.01500.02000.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.02.8V 2.6V3.0VI A ~ U G2K 曲线I A /μAU G2K /V用逐差法求氩原子第一激发电势U=（66.4+54.6-43-32.6）/4=11.35V相对误差E R=（11.35-11.5）/11.5*100%=1.30% 误差在允许范围内通过比较有：①灯丝电压的变化对极板电流有比较大的影响；②在其他因素相同的情况下，灯丝电压越大，极板电流越大。
分析：灯丝电压变大导致灯丝的实际功率变大，灯丝的温度升高，在其他的因素相同的情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。
（2）改变灯丝电压，研究其对实验的影响。
反向拒斥电压U G2A =8.5 V,，分别测量拒斥电压U=10.5 V.，U=6.5 V，情况下的实验数据。
IA--UG2K曲线数据8.5V 10.5V 6.5V电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 峰1 32.6 124.9 33.5 61.5 32.2 141.8 谷1 36.9 71.4 38.3 25.8 36.0 98.9 峰2 43.0 308.7 44.1 189.9 42.8 338.0 谷2 48.1 103.5 49.2 29.3 47.0 163.2 峰3 54.6 560.3 55.5 388.0 53.8 607.5 谷3 59.5 157.0 60.9 43.6 58.6 263.1 峰4 66.4 851.2 67.1 625.3 65.6 914.4 谷4 71.5 289.1 72.5 113.2 70.4 448.70.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.08.5V 10.5V 6.5V通过比较有：① 反向拒斥电压的变化对极板电流有一定的影响；② 在其他因素相同的情况下，拒斥电压增大时，极板电流减小。
弗兰克赫兹实验
2-2弗兰克—赫兹实验【实验简介】1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福原子核模型的基础上，结合普朗克量子理论，提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论。
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 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和赫兹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年获诺贝尔物理学奖。
【实验目的】1、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；2、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞和能量交换过程几率及影响因素。
【预习思考题】1．理解电子与原子碰撞能量交换过程的微观图像。
2．熟悉玻尔理论物理模型。
【实验仪器】DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪，示波器DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪由四组程控直流稳压电源、微电流检测器和单片机控制器组成。
有手动和自动两种工作模式。
DH4507智能型实验仪可手动逐点测绘处爬坡曲线，也可在慢速自动扫描情况下在示波器上观察爬坡曲线。
DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪主要技术指标：①弗兰克-赫兹管：氩气；4电极；谱峰（谷）数量≥6；管子寿命≥3000小时；②四路程控电源（四位显示）：灯丝电压 DC 0～5.9V ，1A ，最小步进电压值：0.1V ，最大步进电压值1V ；第一栅压：DC 0～7.9V ，10mA ，最小步进电压值0.1V ，最大步进电压值1V ；拒斥电压：DC 0～9.9V ，10mA ，最小步进电压值0.1V ，最大步进电压值1V ；第二栅压：DC 0～85.3V ，5mA ，最小步进电压值0.2V ，最大步进电压值10V 。
弗兰克—赫兹实验
弗兰克—赫兹实验弗兰克—赫兹实验信息安全07级姓名:马文博学号:PB07210411 实验名称：弗兰克—赫兹实验实验目的：利用电子碰撞原子的方法，观察并测量汞的激发电位和电离电位，从而证明原子能级的存在。
实验原理：1、电子与气态Hg 原子的碰撞为了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.这是最容易实现Franck-Hertz 实验的方法.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:221mveV 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 原子能级下图是Hg 的谱图.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。
实验曲线：4.碰撞过程及能量交换此过程在G1G2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，使其不能到达A从而不能形成电流。
V GK2= 4.7V ，使原子激发到63P 0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收。
V GK2= 4.9V ，使原子激发到63P 1，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达A ，形成第一个峰。
弗兰克赫兹实验实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告弗兰克赫兹实验实验报告引言：弗兰克赫兹实验是物理学领域的一项重要实验，它的发现为我们理解原子结构和量子力学奠定了基础。
本实验通过对气体放电管中电子的运动进行观察和测量，揭示了原子的离散能级和电子的波粒二象性。
本报告将详细介绍弗兰克赫兹实验的原理、实验装置、实验过程以及实验结果的分析与讨论。
一、实验原理弗兰克赫兹实验基于气体放电现象，利用电子在气体原子中的碰撞过程来研究原子的能级结构。
当气体放电管中加入一定电压时，电子会加速运动并与气体原子碰撞，从而使原子电离或激发。
当电子经过加速后，其动能增加，能够克服原子的束缚力，使原子电离。
而当电子能量不够大时，电子与原子的碰撞只能使原子激发到较低能级。
通过测量电子在气体放电管中的运动特性，可以得到气体原子的能级结构。
二、实验装置弗兰克赫兹实验的装置主要包括气体放电管、电源、测量仪器等。
气体放电管是实验的关键部分，它通常由两个电极构成，其中一个是阴极，用于发射电子；另一个是阳极，用于收集电子。
气体放电管内充满了待测气体，如氩气、氖气等。
电源提供所需的电压，通常为几百伏至几千伏。
测量仪器包括电压表、电流表、光电子倍增管等，用于测量电压、电流以及光电子的能量。
三、实验过程1. 装置调试：首先进行装置的调试，确保电源和测量仪器正常工作。
调整电源的电压和电流，使其达到实验要求。
2. 观察放电现象：打开电源，观察气体放电管中的放电现象。
当电压升高时，放电管中会出现不同颜色的光芒，这是因为气体原子的激发和电离过程。
3. 测量电流：通过连接电流表，测量电流的大小。
随着电压的增加，电流也会相应增加。
当电压达到一定值时，电流会急剧增加，这是因为电子能量足够大，可以克服原子的束缚力，使原子电离。
4. 测量电压：使用电压表测量电源的输出电压，记录下不同电压下的电流值。
5. 测量光电子能量：通过连接光电子倍增管，测量光电子的能量。
光电子是由气体原子激发或电离后发射出来的电子，其能量可通过光电子倍增管进行测量。
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。
弗兰克赫兹实验数据处理
数据处理（1） 计算第一激发电势和相对误差IA--UG2K 曲线数据2.8V2.6V3.0V电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA电压/V 峰1 32.6 124.9 32.6 35.7 33.0 251.4 谷1 36.9 71.4 37.1 19.6 36.9 151.5 峰2 43.0 308.7 43.2 91.0 43.4 657.7 谷2 48.1 103.5 48.3 26.8 48.0 220.5 峰3 54.6 560.3 54.6 169.5 54.7 1258.4 谷3 59.5 157.0 59.7 42.8 59.4 369.4 峰4 66.4 851.2 66.2 258.7 66.5 2004.2 谷471.5289.171.580.371.1742.70.0500.01000.01500.02000.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.02.8V 2.6V3.0VI A ~ U G2K 曲线I A /μAU G2K /V用逐差法求氩原子第一激发电势U=（66.4+54.6-43-32.6）/4=11.35V相对误差E R=（11.35-11.5）/11.5*100%=1.30% 误差在允许范围内通过比较有：①灯丝电压的变化对极板电流有比较大的影响；②在其他因素相同的情况下，灯丝电压越大，极板电流越大。
分析：灯丝电压变大导致灯丝的实际功率变大，灯丝的温度升高，在其他的因素相同的情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。
（2）改变灯丝电压，研究其对实验的影响。
反向拒斥电压U G2A =8.5 V,，分别测量拒斥电压U=10.5 V.，U=6.5 V，情况下的实验数据。
IA--UG2K曲线数据8.5V 10.5V 6.5V电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 峰1 32.6 124.9 33.5 61.5 32.2 141.8 谷1 36.9 71.4 38.3 25.8 36.0 98.9 峰2 43.0 308.7 44.1 189.9 42.8 338.0 谷2 48.1 103.5 49.2 29.3 47.0 163.2 峰3 54.6 560.3 55.5 388.0 53.8 607.5 谷3 59.5 157.0 60.9 43.6 58.6 263.1 峰4 66.4 851.2 67.1 625.3 65.6 914.4 谷4 71.5 289.1 72.5 113.2 70.4 448.70.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.08.5V 10.5V 6.5V通过比较有：① 反向拒斥电压的变化对极板电流有一定的影响；② 在其他因素相同的情况下，拒斥电压增大时，极板电流减小。
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
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玻尔原子模型 1913年
Dr. Prof. W.N.Pang
h Em En
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h 6.63 1034 J s
Dr. Prof. W.N.Pang
Dr.Prof.Pang
1
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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
弗兰克赫兹实验数据处理
数据处理（1）计算第一激发电势和相对误差IA--UG2K曲线数据用逐差法求氩原子第一激发电势U=（66.4+54.6-43-32.6）/4=11.35V 相对误差E R=（11.35-11.5）/11.5*100%=1.30% 误差在允许范围内通过比较有：①灯丝电压的变化对极板电流有比较大的影响；②在其他因素相同的情况下，灯丝电压越大，极板电流越大。
分析：灯丝电压变大导致灯丝的实际功率变大，灯丝的温度升高，在其他的因素相同的情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。
（2）改变灯丝电压，研究其对实验的影响。
反向拒斥电压U G2A =8.5 V,，分别测量拒斥电压U=10.5 V.，U=6.5 V，情况下的实验数据。
IA--UG2K曲线数据通过比较有：①反向拒斥电压的变化对极板电流有一定的影响；②在其他因素相同的情况下，拒斥电压增大时，极板电流减小。
分析：反向拒斥电压增大，在其他的因素相同的情况下，电子的能量大于eU G2A 的电子数减少，单位时间到达极板的电子数减少，从而极板电流减少。
思考与讨论（1）灯丝电压对F—H实验的I A—U G2K曲线形状有何影响？对第一激发电势的测量有何影响？答：灯丝电压不能过高或过低。
因为灯丝电压的高低，确定了阴极的工作电流。
灯丝电位低，阴极发射电子的能力减小，使得在碰撞区发生的碰撞减少，检测到的电流减小，给检测带来困难，从而使I A—U G2K曲线的分辨率下降；灯丝电压高阴极发射电子的能力增加，引起逃逸电子增多，相邻峰、谷值的差值减小。
（2）从I A—U G2K曲线上可以看出阳极电流并不是突然下降，有一个变化的过程（电流的峰有一定的宽度），而且出现峰值后电流不能降为零，这是为什么？答：这是因为阳极发射的电子的初始速度不是完全相同的，服从一定的统计规律。
另外，由于电子与氩原子的碰撞有一定的几率，在大部分电子与氩原子碰撞而损失能量的时候，还会有一些电子没有发生碰撞而到达了阳极，所以阳极电流不会降为零。
弗兰克-赫兹实验实验报告
弗兰克-赫兹实验一 实验目的通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。
二 实验原理 1 激发电势 玻尔的原子能级理论（1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。
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了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足n m E E hv -= （1）原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。
设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为eU ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E 1带表汞原子的基态能量，E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为120E E eU -= （2）时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。
相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。
夫兰克-核子实验原理如图1示。
U GK /VI A /nA图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的I A -U GK 曲线在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出，阴极K 和栅极G 之间的加速电压U GK 供电子加速。
在板极A 和栅极G 之间加有拒斥电压U AG 。
管子空间电位分布如图2示。
当电子通过KG 空间进入GA 空间时，如果有较大的能量（≥eU AG ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA 检测出。
如果电子在KG 空间与汞原子碰撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。
这时，通过微电流计的电流将显著的减小。
实验时，观察电流计的电流随U GK 逐渐增加时的现象。
如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的I A -U GK 曲线。
弗兰克赫兹实验实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告
实验名称：弗兰克赫兹实验
实验目的：通过研究气体的导电特性，探究众多气体的带电粒子性质等规律。
实验器材：真空管，放电极，荧光屏，高压电源，振荡器等。
实验原理：弗兰克赫兹实验利用了电离气体与电场、荧光屏的相互作用，其中，荧光屏的作用是显示电子活动的位置。
通过在气体中建立电场，在真空中产生气体的离子化（电离），并测定带电粒子与电场作用下的方向、速度、轨迹等特征，可以推测出气体离子（电离）性质以及离子与电场的相互作用规律。
实验过程：利用真空管将空气抽空，给电极加高压电信号，使气体电离，产生气体放电现象。
接下来，让离子穿过两个极板的电场区域，在荧光屏上观察带电粒子离子与电场作用后的荧光显示。
通过改变气体类型和气体压力等实验条件，观察荧光屏上的显示差异，实验数据测定。
实验结果：弗兰克赫兹实验得出气体的导电机制与性质、电子的分布密度、电场对电子的俘获等规律等，该实验也为粒子物理学、原子物理学研究提供了启示。
结论：弗兰克赫兹实验提供了重要的原理和实验数据，描述了气体电离、电子漂移、荧光及偏極化等现象，对于研究原子物理学、粒子物理学等领域具有重要意义。
实验小结：通过本次实验，我深刻地体会到了科学实验的重要性，同时也更加明确了物理学研究的意义和方向。
希望在今后的学习中，能够更深地认识该领域的知识和相关实验，为我国科学技术的发展贡献自己的力量。
弗兰克赫兹-实验报告
近代物理实验报告实验3-2 夫兰克—赫兹实验℃ 实验日期：2013-4-19【摘要】本实验采用夫兰克〔Frank 〕和赫兹〔Hertz 〕于1914年使用的简单的实验方法，用慢电子轰击稀薄气体的原子，通过研究输出电流和加速电压的曲线关系，测量了氩原子和汞原子的第一激发电位，进而证明了原子分立态的存在。
实验结果误差较小。
【关键词】碰撞，激发，夫兰克—赫兹实验仪1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改良。
他们采取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的方法，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，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。
一、实验目的● 学习关于原子碰撞激发和测量的方法。
● 测量氩原子的第一激发电位。
● 通过对氩原子激发电位的测量证实原子能级的存在。
二、实验原理根据波尔原子模型理论，原子一定轨道上的电子，具有一定的能量，当同一原子的电子从低能量轨道跃迁到较高能量轨道时，就称原子处于受激状态。
玻尔理论的前提是波尔提出的两条基本假设：〔1〕定态假设。
原子只能处在一些不连续的稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值i E 〔,...,...,...,,3,2,1n m i 〕；〔2〕频率定则。
当一个原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，就吸收或辐射一定频率的电磁波，频率ν的大小决定于原子所处两定态之间的能量差，满足：m n E E h -=ν 式中n E 代表较高能态，m E 代表较低能态，h 为普朗克常数。
当电子与原子碰撞时，如果电子能量大于临界能量，二者发生非弹性碰撞，电子把能量传递给原子，使原子从正常态跃迁到第一激发态。
假设初速为零的电子在电位差V 的加速下具有激发速度v ，则有：mn e g E E v m eV -==221其中g V 为第一激发电位，即临界电位，这是当电子具有的能量恰好使原子从正常态跃迁到第一激发态时的加速电压。
夫兰克-赫兹实验报告
夫兰克-赫兹实验一．实验简介1914年弗兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)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（即著名的Frank-Hertz实验）。
从而证明了原子等级的存在，为早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年诺贝尔物理学奖金。
他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。
本实验应用Frank-Hertz实验方法实现电子气和Hg原子的碰撞，以观察Hg 原子能级跃迁并对Hg原子第一激发电位进行测量。
通过本实验可以深刻理解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法，了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
二．实验原理1. 电子与气态Hg原子的碰撞利用电子和气态Hg原子的碰撞时最容易实现Frank-Hertz实验的方法。
为实现原子从低能级En 向高能级Em的跃迁，通常可以通过吸收确定频率γ的光子来实现。
而光子的能量等于两个能级之间的量差，即时，原子吸收全部光子能量，发生能级跃迁，式中h为普朗克常量。
也可以通过使具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。
若与之碰撞的电子式在电势差V的加速下，速度从零加到v,则当电子的能量满足时，电子将全部能量交换给你原子。
由于E m - E n 具有确定的值，对应的V 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V 称为原子的第一激发电位（或中肯电子）。
因此，第一激发电位V 所对应的就是第一激发态与基态的能量差。
出于激发态的原子是不稳定的，它将以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能级。
如果电子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的V 称为原子的电离电位。
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。
当能量等于63P 0，63P 1和63P 2与基态61S 0之间的能量差，即当能量为4.7 eV ，4.9 eV 和5.47 eV 的电子与Hg 原子碰撞时，将有最大的激发概率实现能级间跃迁。
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报告欢迎来到CN人才公文网，下面是小编给大家整理的弗兰克赫兹实验报告，仅供参考。
弗兰克赫兹实验报告1姓名：xxx学号：xxxxxxxxxx 班级：本硕xxx班实验日期：xxx年10 月13日夫兰克-赫兹实验【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，从而加深对量子化概念的认识。
2、加深对热电子发射的理解，学习将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。
【历史背景】1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核模型。
1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。
电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。
随着英国物理学家埃万斯(E.J.Evans)对光谱的研究，玻尔理论被确立。
1914年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发。
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。
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。
【实验原理】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之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)，这些能量值称为能级。
最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。
当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率选择定则：( h为普朗克常数)本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则：ev=E-E(1) 110E为第一激发能量(第一激发态是距基态最近的一个能态)，E为基态能量，ev为该原子第一激发能。
基于MATLAB的弗兰克-赫兹实验数据处理
基于MATLAB的弗兰克-赫兹实验数据处理张容【摘要】The pinpoint peak point is the key to reduce the Frank-Hertz experimental error. By using the unde-termined coefficient method to calculate the peak curve equation near the point,and then on the curve equation derivation,reached maximum points,so as to determine the peak and valley points. At the same time,the calcu-lation of language processing in the process of calculation data using efficient MATLAB project, make a complex mathematical operation becomes simple.%精确地找出峰值和谷值点，是减小弗兰克-赫兹实验误差的关键。
通过用待定系数法求出各峰值和谷值点附近的曲线方程，再对曲线方程求导，得出极值点，从而确定峰值和谷值点。
同时，利用高效的MATLAB工程计算语言处理计算过程中的数据，使复杂的数学运算变简单。
【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】3页(P100-102)【关键词】数据处理;MATLAB;曲线方程【作者】张容【作者单位】成都师范学院，四川成都 611130【正文语种】中文【中图分类】O4-39作为主要的近代物理实验之一的弗兰克-赫兹实验，目前，各大高校均于开设，由于需要处理的数据较多，手工绘图误差较大，同样的实验数据用不同的处理方法，其结果大相径庭［1］。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告实验报告——弗兰克-赫兹实验【摘要】本实验通过对汞原⼦第⼀激发点位的测定，证明原⼦具有能级，从⽽获得对微观粒⼦的基本特性——能量量⼦化的基本认识。
【关键字】能量量⼦化⾮弹性碰撞跃迁1914年，弗兰克和赫兹在研究中发现电⼦与原⼦发⽣⾮弹性碰撞时，能量的转移但是量⼦化的。
他们的精确测定表明，电⼦与汞原⼦碰撞的时候，电⼦损失的能量严格地保持4.9eV ，即汞原⼦只接受4.9eV 的能量。
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、互相分离的能量状态”，是对玻尔的原⼦量⼦化模型的第⼀个决定性的证据。
由于其⼯作对原⼦物理学的发展起到了重要的作⽤，弗兰克和赫兹在1925年共同获得了当年度的物理学诺贝尔奖。
⼀．实验⽬的1.在180℃的炉温下，测定弗兰克-赫兹实验管的K G P V I 2-曲线，观察原⼦能量量⼦化情况，并求出充⽓管中汞原⼦的第⼀激发电位。
2.在低温条件下150℃，测定⼀条弗兰克-赫兹试验管的K G P V I 2-曲线，⽐较两条曲线，找出其规律性的变化，并分析讨论。
⼆．实验仪器弗兰克-赫兹试验仪温控仪三．实验原理1.玻尔的原⼦理论（1）原⼦的量⼦化定态。
即原⼦只能出在某⼀些不连续的状态，这些状态的具有⼀定的能量，能量数值是彼此分隔的，在这些状态，原⼦即不吸收也不辐射能量。
原⼦只能从⼀个定态跃迁到另⼀个定态。
（2）辐射的频率法则。
即原⼦从⼀个定态跃迁到另⼀个定态的时候，其吸收或者发射的能量都是⼀定的，即两个能级之间的能量差。
原⼦与⼀定能量的电⼦发⽣碰撞的时候，可以让原⼦从低能级跃迁到⾼能级，如果是基态和第⼀激发态之间的跃迁，就有：212121E E V m eV e -== 2.电⼦与原⼦碰撞时的能量转移电⼦与原⼦的相互作⽤通常有亲和、弹性碰撞和⾮弹性碰撞三种形式。
对于实验的汞原⼦，由于其电正性，亲和现象⼀般不会出现。
对于初速度为零的电⼦通过电位差为V 的加速电场，获得了eV 的能量，与稀薄⽓体的汞原⼦发⽣碰撞时，将会发⽣三种情况：（1）电⼦运动速度很低时，其与原⼦的碰撞为弹性碰撞，原⼦内部能量不发⽣变化；（2）当电⼦所受到的加速电位差加⼤，它的动能将增加到⼀定的临界值，发⽣⾮弹性碰撞，这个时候，电⼦的能量可以完全转移到原⼦的内部，使得原⼦内部的能量产⽣跃变，电⼦损失的能量就等于原⼦所增加的能量，从⽽原⼦从基态跃迁到第⼀激发态；（3）当加速电位差继续加⼤后，电⼦与原⼦仍然发⽣弹性碰撞与⾮弹性碰撞，但吸收的能量仍旧是（2）中的定值，当加速电位差加⼤到两倍的（2）中吸收的能量时，电⼦会在和原⼦的第⼆次碰撞中将能量全部交给原⼦，依此类推。
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数据处理
（1） 计算第一激发电势和相对误差
IA--UG2K 曲线数据
2.8V
2.6V
3.0V
电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA
电压/V 峰1 32.6 124.9 32.6 35.7 33.0 251.4 谷1 36.9 71.4 37.1 19.6 36.9 151.5 峰2 43.0 308.7 43.2 91.0 43.4 657.7 谷2 48.1 103.5 48.3 26.8 48.0 220.5 峰3 54.6 560.3 54.6 169.5 54.7 1258.4 谷3 59.5 157.0 59.7 42.8 59.4 369.4 峰4 66.4 851.2 66.2 258.7 66.5 2004.2 谷4
71.5
289.1
71.5
80.3
71.1
742.7
0.0500.0
1000.0
1500.0
2000.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
55.0
60.0
65.0
70.0
75.0
2.8V 2.6V
3.0V
I A ~ U G2K 曲线
I A /μA
U G2K /V
用逐差法求氩原子第一激发电势U=（66.4+54.6-43-32.6）/4=11.35V
相对误差E R=（11.35-11.5）/11.5*100%=1.30% 误差在允许范围内
通过比较有：
①灯丝电压的变化对极板电流有比较大的影响；
②在其他因素相同的情况下，灯丝电压越大，极板电流越大。
分析：灯丝电压变大导致灯丝的实际功率变大，灯丝的温度升高，在其他的因素相同的情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。
（2）改变灯丝电压，研究其对实验的影响。
反向拒斥电压U G2A =8.5 V,，分别测量拒斥电压U=10.5 V.，U=6.5 V，情况下的实验数据。
IA--UG2K曲线数据
8.5V 10.5V 6.5V
电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 峰1 32.6 124.9 33.5 61.5 32.2 141.8 谷1 36.9 71.4 38.3 25.8 36.0 98.9 峰2 43.0 308.7 44.1 189.9 42.8 338.0 谷2 48.1 103.5 49.2 29.3 47.0 163.2 峰3 54.6 560.3 55.5 388.0 53.8 607.5 谷3 59.5 157.0 60.9 43.6 58.6 263.1 峰4 66.4 851.2 67.1 625.3 65.6 914.4 谷4 71.5 289.1 72.5 113.2 70.4 448.7
0.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.030.0
35.040.045.050.055.060.065.070.075.0
8.5V 10.5V 6.5V
通过比较有：
① 反向拒斥电压的变化对极板电流有一定的影响；
② 在其他因素相同的情况下，拒斥电压增大时，极板电流减小。
分析： 反向拒斥电压增大，在其他的因素相同的情况下，电子的能量大于eU G2A 的电子数减少，单位时间到达极板的电子数减少，从而极板电流减少。
思考与讨论
（1） 灯丝电压对F —H 实验的I A —U G2K 曲线形状有何影响？对第一激发电
势的测量有何影响？
答：灯丝电压不能过高或过低。
因为灯丝电压的高低，确定了阴极的工作电流。
灯丝电位低，阴极发射电子的能力减小，使得在碰撞区发生的碰撞减少，检测
I A ~ U G2K 曲线
U G2K /V
I A /μA
到的电流减小，给检测带来困难，从而使I A—U G2K曲线的分辨率下降；灯丝电压高阴极发射电子的能力增加，引起逃逸电子增多，相邻峰、谷值的差值减小。
（2）从I A—U G2K曲线上可以看出阳极电流并不是突然下降，有一个变化的过程（电流的峰有一定的宽度），而且出现峰值后电流不能降为零，这是为什么？
答：这是因为阳极发射的电子的初始速度不是完全相同的，服从一定的统计规律。
另外，由于电子与氩原子的碰撞有一定的几率，在大部分电子与氩原子碰撞而损失能量的时候，还会有一些电子没有发生碰撞而到达了阳极，所以阳极电流不会降为零。
实验总结:
通过本实验我们能熟练地用电脑绘制IA ~ UG2K曲线，并了解了弗兰克赫兹实验的原理和具体操作。