弗兰克赫兹实验 实验报告
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。
实验报告 弗兰克赫兹实验报告内容
弗兰克赫兹实验报告内容弗兰克-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，那么，下面是给大家整理收集的弗兰克赫兹实验报告内容，供大家阅读参考。
弗兰克赫兹实验报告内容1仪器弗兰克-赫兹管(简称F-H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、微机X-Y记录仪。
F-H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。
为了使F-H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F-H管置于控温加热炉内。
加热炉的温度由控温装置设定和控制。
炉温高时，F-H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。
温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。
辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。
F-H管电源组用来提供F-H管各极所需的工作电压。
其中包括灯丝电压UF，直流1V~5V连续可调;第一栅极电压UG1，直流0~5V连续可调;第二栅极电压UG2，直流0~15V连续可调。
扫描电源和微电流放大器，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F-H管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。
微电流放大器用来检测F-H管的板流，其测量范围为10^-8A、10^-7A、10^-6A三挡。
微机X-Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。
供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。
原理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。
弗兰克-赫兹实验报告12页
弗兰克-赫兹实验报告12页一、实验简介弗兰克-赫兹实验是用于研究原子中的电子能级的实验，由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年首次进行。
该实验基于能量量子化的概念，对气体中电子的能级结构进行了实验研究。
实验中使用汞气作为气体样品，并观察了在逐渐递增的电压下电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射现象。
本实验在原子物理学以及量子力学发展历史上具有里程碑的意义。
二、实验原理1.能量量子化在原子中，电子所拥有的能量和它的运动状态是量子化的，因此它们只存在于特定的能量状态中。
这些能量状态被称为能级，其能量可以通过光子吸收和辐射来进行变化。
2.汞原子的能级汞原子是大型原子，其中包含80个电子，因此具有复杂的能级结构。
常见的汞原子能级包括原子的基态以及第一、第二、第三激发态等。
在本实验中，我们将重点关注第一激发态，其能量为4.9电子伏。
3.散射现象在电子经过汞原子时，它们将与原子中的电子进行散射，影响它们的移动方向和能量。
通过观察不同电压下电子在汞蒸汽中的散射情况，可以研究电子在汞原子中的散射过程以及不同能级的存在情况。
三、实验步骤1.设备调试首先对设备进行调试，检查电源、电压计、放大器等设备是否正常运行。
2.样品处理使用灯丝对汞样品进行加热，使其升华产生汞性气体。
3.电子管与样品接触将电子管的阳极与汞样品接触，使电子通过样品并进行散射。
4.电压递增逐渐递增电压，观察电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射情况。
5.测量数据通过放大器和电压计来测量电压和电流等数据，记录不同电压下电流和电压之间的关系。
四、数据分析通过测量数据可以得到不同电压下汞蒸汽中散射电子的动能，进一步可以得知电子在不同能级中的能量情况。
例如，在电压为10伏的情况下，当电流增大时，证明散射电子的动能增加，这表明电子已经达到第一激发态能级。
当电压增加到50伏时，电流在急剧减小，这表明散射电子已经失去了能够到达下一个能级所需的能量。
从而可以推断出汞原子存在第一激发态能级。
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 实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告弗兰克赫兹实验是20世纪初为了研究原子结构而开展的经典实验之一，也是量子力学发展史上的重要里程碑之一。
本文将对该实验的原理、实验装置、实验过程及结果进行介绍并进行简要的讨论。
一、实验原理弗兰克赫兹实验主要基于静电击穿现象的基础上进行。
在一个低压气体管内，将两个电极分别放在管的两端，使得电子能够从负极经过气体管向另一端正极方向运动。
当电子运动的速度达到一定的程度时，可以与气体原子相撞，使气体原子激发成为离子或激发态。
当电子经过气体管内的一个区域时，便可以观察到该区域的荧光现象。
二、实验装置弗兰克赫兹实验的实验装置主要由一个玻璃管组成，管中充满了低压气体。
实验中通过气体管两端的电极和外部高压电源构成电路，使电子可以在管内自由运动。
三、实验过程在实验进行时，首先将气体管中的气体抽成非常低的压强，然后通过高压电源，在管的两端分别加上负极和正极电压，使得气体管内形成一个电场。
当电压达到一定程度时，电子可以克服气体原子的束缚，在电场作用下自由运动。
当一些电子与气体原子碰撞时，气体原子可能会发生激发或电离，然后通过复合释放荧光。
荧光以波长分布明显的分界线出现（即发生荧光的气体种类不同，发射的光谱线也不同）。
通过测量压强与电场强度等参数，可以得到不同气体在不同电场强度下的谱线变化情况。
四、实验结果通过弗兰克赫兹实验的实验数据可以得出结论：（1）气体原子处于激发态不能较长时间复合释放，而处于离子状态的气体原子则不同。
（2）获得荧光的气体原子数与电子数不成正比，而且气体压强不能过高。
（3）通过不同气体在不同电场下的光谱线，证明了气体原子的能级结构。
五、实验讨论弗兰克赫兹实验是20世纪初的一个经典实验，尽管它不能很好地解释电子轨道等量子力学的本质，但它在理论形成的历程上起到了重要作用。
通过实验结果可以证明气体原子的能级结构，而这个结果也间接验证了量子力学理论的正确性。
而通过不同气体在不同电场下的发光谱线变化的规律性，也为后来分子谱学的研究奠定了基础性的实验基础。
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。
弗兰克-赫兹实验报告
弗兰克-赫兹实验【目的要求】1)了解弗兰克-赫兹用伏-安法证明原子存在能级的原理和方法。
2)学习用伏-安法测量非线性元件。
3)学习微电流的测量。
【仪器用具】弗兰克-赫兹管（包括Hg管和Ar管），F-H管电源（三组直流电源，供灯丝和各栅极间偏压），扫描电源，微电流放大器，电炉及控温仪，数字万用表（4位半），导线【实验原理】1)弗兰克-赫兹实验三栅极式F-Hg管内充Hg蒸汽。
阴极通电后发射热电子。
U Kg与I p之间呈现明显的周期性，各极大值之间的间距均为4.9V。
周期性来源于电子与气体原子之间碰撞。
电压较小时，电子动能随电压增加而增加，这时电子与汞原子间是弹性碰撞，电子并不损失能量因而电流随电压增加而增加。
当地电压超过4.9V时，电子使汞原子从基态跃迁到激发态，电子因损失动能而不能克服反向电压U gp的阻滞到达极板P，从而使电流下降。
如电压继续增加，发生非弹性碰撞的电子动能继续增加，从而使电流上升。
当电压超过2×4.9V=9.8V时，电子与汞原子又发生非弹性碰撞，电流再次下降。
2)微弱电流放大器K为运算放大器，其开环增益为G. U0=R f I整个电路阻抗Z i≈R f/G3)实验装置四栅极式F-H管，管内充有汞、氩等原子态气体。
此管采用傍热式加热，灯丝F和阴极K是分离的。
灯丝加热后使阴极K发射电子，控制灯丝电压U F可改变等死的温度，从而控制发射电子的多寡。
第一栅极g1的电位略高于阴极K的电位，用于消除热发射电子在阴极附近的空间电荷效应（电子堆积）。
改变电压U Kg1可控制阴极发射电子流的强弱。
第二栅极g2与阴极K之间加一可变正电压，它使电子获得能量，速度加快并在这个区域内不断与原子发生碰撞。
减速电压U g2p的作用是使到达第二栅极g2处的能量较低的电子不能达到极板p，即刚在g2附近发生了非弹性碰撞动能小于eU g2p的电子不能到达p。
减速电压U g2p越高，输出电压U out越小。
【实验内容】1)测Hg管的F-H曲线温度：180℃U Kg2：0~40V2)测Ar管的F-H曲线温度：室温U Kg2：0~85V具体步骤：①加热F-H管（Ar管不用加热）。
弗兰克-赫兹实验报告
弗兰克-赫兹实验报告
弗兰克-赫兹实验是一种关于电子能量量子化的经典实验，由德国物理学家弗兰克和赫兹在1914年发现。
实验装置为一个玻璃管内充满了一定压力的汞蒸气，两个电极分别连接电路。
加上一定电压使电子由阴极发射出来，并通过加速电场向阳极运动。
当电子经过中间的汞原子时，它们会发生碰撞并失去能量，从而减慢或停止运动。
当电压逐渐增大时，观察到在相应电压下，电流突然增大，说明电子能量达到一个量子级别，并能够将汞原子的最低激发能量激发出来。
这时电子才能穿过汞原子层，到达阳极，使得电流增大。
实验结果表明，汞原子的最低激发能量并不是连续变化的，而是呈现量子化的状态，也就是说，电子通过汞原子层时，必须具有一定量的能量才能激发汞原子内部的电子跃迁。
这反映了电子能量也存在量子化现象，电子在能级间跃迁时，只能跃迁到具有特定能量的能级。
弗兰克-赫兹实验的重要性在于，它首次证实了玻尔的量子理论，为量子力学的发展奠定了基础，对探究原子结构和微观世界的规律起到了巨大的推动作用。
弗兰克赫兹实验报告内容
弗兰克赫兹实验报告内容弗兰克-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，那么，下面是给大家整理收集的弗兰克赫兹实验报告内容，供大家阅读参考。
弗兰克赫兹实验报告内容1仪器弗兰克-赫兹管(简称F-H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、微机X-Y记录仪。
F-H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。
为了使F-H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F-H管置于控温加热炉内。
加热炉的温度由控温装置设定和控制。
炉温高时，F-H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。
温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。
辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。
F-H管电源组用来提供F-H管各极所需的工作电压。
其中包括灯丝电压UF，直流1V~5V连续可调;第一栅极电压UG1，直流0~5V连续可调;第二栅极电压UG2，直流0~15V连续可调。
扫描电源和微电流放大器，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F-H管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。
微电流放大器用来检测F-H管的板流，其测量范围为108A、107A、106A三挡。
微机X-Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。
供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。
原理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|(1)式中:h为普朗克常量。
弗兰克赫兹实验报告-有数据
弗兰克赫兹实验报告-有数据弗兰克赫兹实验作者 luckydog8686实验背景：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进。
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办法，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1.通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。
2.学习测量微电流的方法。
二、实验原理（一）原子能级根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。
受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。
然而，原子若与具有一定能量的电子发生碰撞，也可使原子从低能级跃迁到高能级。
夫兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞实现这种跃迁的。
电子在加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能2/2mv ，当2/2nmeU mv E E ==-时，即可实现跃迁。
若原子吸收能量0eU 。
从基态跃迁到第一激发态，则称0U 为第一激发电位或中肯电位。
汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。
汞原子基态为由二个6s 电子组成的1S ，较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构成的11P 单能级和32P ， 31P 和30P 组成的三能级。
只有31P 为允许自发跃迁态：3110P S →,发出波长为253.7nm 的紫外光，对应能量为0 4.9U eV =。
32P 和3P 为亚稳态，因3110P S →的跃迁属于禁戒跃迁，所以通常把31P 态称为汞的第一激发态。
（二）原理说明实验原理图如图2和图3所示，充汞的夫兰克-赫兹管，其阴极K 被灯丝H 加热，发射电子。
电子在K 和栅极G 之间被加速电压KGU 加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极A 之间加反向拒斥电压GAU ，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流AI 。
-弗兰克-赫兹实验报告
U0 U0 U0 U0 U0
IA-UG2K曲线
电流显示
电压显示
电压显示 档位转换
电流显示 档位转换
电压调节
增大减小 调节按钮
左右位置 选择按钮
实验内容
1、各旋钮逆时针旋至底，接通导线，检查无误后开机，预 热5min。【电子逸出过程与热能有关，需要一定的稳定时 间，故需预热！】
2、自动/手动测量： (1)“自动/手动”； (2)参数设置：参考机箱盖上提供数据； (3)“启动/增加VG2K 电压”； (4)查阅数据，记录谷底或峰尖对应 VG2K 电压，并计算第 一激发电位U0。 3、按下“自动/手动”键，将数据清零。
思考题
2、谷电流为什么不为零？ 答：由于电子在栅极 G2 附近跟氩原子发生 碰撞存在一定的几率，总有一部分电子在栅 极附近未与氩原子发生碰撞而直接到达 A极 形成电流，因此谷电流不等于零。 3 、为什么随着 UG2K 的增加， IA 的峰值越来 越高？ 答：因为随着UG2K的增加，能够穿越A极的 电子数量越来越多，电流IA越来越大。
用慢电子和稀薄气体原子碰撞的方法，测 得原子吸收或发射的能量是不连续的，从 而证明了原子能级的存在，弗兰克和赫兹 也由于这一杰出的贡献共同获得了 1925 年 的诺贝尔物理学奖。
实验目的
通过测定（氩）原子的第一激发电位 U0 ， 证明玻尔原子能级的存在，了解原子能级 的量子化结构。
了解夫兰克－赫兹实验的设计思想和实验
思考题
1、为什么相邻电流峰值对应的电压之差就 是第一激光电位？
答：当电子能量达到 eUG2K (UG2K>U0) 时，与所测原子（ 例如氩原子）碰撞从而失去 eU0的能量，由于存在拒斥电 压，电子将不能够穿越板极形成电流，电流下降形成第一 个峰。当电子能量UG2K>2U0时，电子在G2K之间又会因第 二次非弹性碰撞而失去能量 2eU0 ，于是出现第二个峰值 。根据上述分析可知，能量转移随着加速电压的增加而呈 现周期性的变化，所以电流峰值对应的电压差就是第一激 发电位。
弗兰克赫兹实验实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2020.弗兰克-赫兹实验一实验口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hv = E m-E n (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£带表汞原子的基态能量，E：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eU. =E2-E} (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。
AIi/nA \K U GK/V图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的I厂Ua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仟弹|旳加速电丿土“ 供电子加速。
在板极A和栅极G之间加有拒斥电压％。
尊超餉L匍分布如图2示。
当电子通过KG空间进入GA空间时，如果有较大的能量（MeUQ ,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着的减小。
实验时，观察电流计的电流随逐渐增加时的现象。
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L-Gx曲线。
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。
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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 -
【实验结论】 1、 通过逐差法和回归方程分别分析了汞蒸气 ~
曲线关系图，得出其第一激发电位为：∆
5.04 0.40 , 8% ； 2、 本底电流对峰值的位置产生一定的影响，但对实验结果影响不是很大。但是处理数据时，仍然应 该将本底电流予以扣除； 3、 较高激发电位是若干跃迁组合的结果，除了第一激发电位可以单独发生，其他均需要通过至少 2 个跃迁加以组合； 4、 误差主要来源于读数的方法，规律性和即使性很重要。
B 类不确定，由数字电压表通常的仪器误差限（∆ ∆ √2 则总的不确定度：
0.40V 故其相对不确定度： ∆ 100% 8%
则最后结果为：
∆
5.04
0.40 ,
8%
二、确定峰位和峰位序数的关系 从表 1 数据可以得到如图 2 所 示的峰位 与对应峰位序数 n 关 系图。 从右图可得到对应的汞的第一 激发能为 5.04V，系统的接触电位差 约为 6.89V。 发现接触电位差比脱出功较大 的材料铂还要大 0.9V，在微电流的 测量上或存在较大的误差。测量过 程中，发现微电流表的示数并不能 马上稳定在某个值，而总是呈现衰 减的状态，一段时间后才落在某个 值上。如果扫描电压上升较慢，即 便实际数值有增加，但是指针因为 图 2 峰位 与对应峰位序数 n 关系图 总在衰减而发生抵消作用，不能看 到数值变化，故第一个峰的位置会比实际变大很多。而后的测量是建立在先前衰减的数值上的，并且 每次读数的方法都相近（扫描电压到达指定数值后，马上读数或隔 10 秒再读数） ，故仍可以得到较好 的直线。 接着计算该拟合曲线的不确定度。 其峰位电压的标准差为： ∑ 10 2 斜率 b 和截距 a 的“等效”A 类不确定度分别为： 0.22823 0.334098
表 2 汞原子较高能级跃迁情况
编 号
跃迁情况
辐射波长/埃
能量/eV
a b c d e f
8P(1,1)‐>6S(1,0) 7P(1,1)‐>6S(1,0) 6P(1,1)‐>6S(1,0) 8S(3,1)‐>6P(3,2) 7D(3,1)‐>6P(3,0) 6P(3,1)‐>6S(1,0)
1268.82 1402.72 1849.57 2341.48 2534.77 2536.52
9.797489 8.862246 6.721157 5.309142 4.904291 4.900908
图 4 汞较高激发电位时的 ~
曲线关系图
【误差分析】 实验中误差最主要的来源在于 数据的采集，因为指针很不稳定， 加之衰减的持续性，很多数值将比 实际数值偏小。图 4 的第 1 个和第 2 峰即为误差的表现：这两个峰均 应该描述第一激发电位 4.9V，应该 只有一个峰，但是两峰之间数据减 小，可能就因为读数太慢或不规律 导致。 其次是采集数据的密度。数据 密度决定着图像的连续性和信息完 整，过大的数据间隔可能导致间隔 内峰值的遗漏，过小的间隔，又将 同第一误差因素一起增大实验误 差。
1.5 ，加速电压
1.5 ，汞蒸气温度
170
图 1 汞蒸气 ~
曲线关系图
利用逐差法： ∆ 36.9 12.4 41.8 4.9 17.1 47 21.8 5∗5 的相对误差为： 52.6 27 57.7 31.8 5.04
与汞原子的第一激发能
|5.04 4.9| 100% 2.8% 4.9 在一定误差范围内，故可以认为其与汞原子的第一激发能相一致。 而第一峰位的电压值与第一激发能并不相同。因为阴极和栅极之间存在接触电势差，使得峰位整 体右移；同时，即便电压值到达第一激发能所需电压，也因为此时能撞击而激发汞原子的电子数并未 达到极大，仍有一部分电子可到达极板，电流仍然会上升一段距离。 接着试计算其第一激发能的不确定度和表达式。 该组测量的 A 类不确定度： ∆ 5 5 1 0.18V 0.5）确定： 0.35V
原始数据
电压/V 10 10.5 11 11.2 11.4 11.6 11.9 12 12.2 12.4 12.6 12.8 13 13.2 13.4 13.6 13.8 15 15.2 15.4 15.6 15.8 16.2 16.4 16.6 17 17.1 17.5 17.9 18 18.2 18.4 18.6 18.8 19 19.2 19.4 19.6 19.8 20 电流/10 A 0 0.1 0.7 1 1.4 1.9 2.1 2.2 3 3.2 2.7 2.2 1.6 0.9 0.2 0.1 0.1 0.4 1 1.8 2.4 6 7.8 8.4 11.2 13 14 12 9 6 3.8 2 1 0.2 0.1 0.1 0.2 0.4 1 1.8
电流/10 A 25 24 20 16 11 4.6 2.8 2.4 4.1 6.5 10.4 15.7 16.2 24 26 28 27 28 28 26 19.4 12 9.6 8.2 7.8 6.2 6 6.2 7 12.6 20 26 28 26 24 24 22 20 12 10
-8
电压/V 44.5 44.7 44.9 45.2 45.4 45.8 46 46.3 46.7 47 47.3 47.5 47.7 47.9 48.2 48.6 49.1 49.5 50.1 50.4 50.7 51.6 52.6 52.9 53.4 54.3 55.1 55.4 55.7 56.1 56.6 57.1 57.7 58.1 58.6 59.1 60.3
【数据处理】 一、 测量汞蒸气的第一激发能 灯丝电压 1.7 ，控制栅电压
表 1 电流峰对应电压值表 No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U_peak V 12.4 17.1 21.8 27.0 31.8 36.9 41.8 47.0 52.6 57.7 I_peak ×10-8A 3.2 14 21 29 26 28 28 28 29 26
10
10
பைடு நூலகம்
0.03678
三、本底的扣除 如图 1 所示，虚线部分为峰谷点的二次多项式拟合曲线， 拟合相关系数为 0.9936，故拟合曲线 有效。所得到的二次多项式为：y = 0.0075x2 - 0.184x + 0.8873。 此虚线所代表的即实验中本底电流的大小，其产生有两个原因： 1、 从热阴极发出的电子未与汞原子或若干次相撞后仍具有一定能量而可以到达极板产生电流； 2、 部分汞原子被电离而发出电子； 飞本底电流的增加会对振荡型数据产生影响，故对实验结果会存在一定影响，故尝试用上述二次
I/10 A 0.2 1 2 2.4 3 5 5 9 11 16 18 17 18 19 20 18 16 12 8 5 3 1.8 0.2 0.1 1
-8
U/V 16 16.1 16.7 16.9 17.2 17.5 17.7 17.8 18 18.1 18.4 18.6 18.7 18.9 19.2 19.3 19.4 19.6 19.7 19.9 20 20.2 20.3 20.4 20.5