弗兰克赫兹实验30页PPT
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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。
最新夫兰克赫兹实验教学课件
如果第二栅极电压继续增加， 电子的能量又随之增加，在与 气体原子相碰撞后还留下足够 的能量，可以克服反向拒斥电 场而达到阳极P，这时电流又 开始上升。直到电子的能量
达到二倍于气体原子的第一激发态能量时，电子在G2P间又会因二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次 阳极电流的下降。因此凡在栅极电压
VG2 = nU0+E (n=1,2,3…) (3) 的地方阳极电流IP都会相应下跌，形成规则起伏变化的 IP ～VG2曲线。式(3)中的E为与金属电子逸出功有关的某一常
课件目录
• 一.实验目的 • 二.实验原理 • 三.实验仪器 • 四.实验步骤
图3所示的曲线反映了在空 间电子与气体原子进行能量交 换的情况。当空间电压逐渐增 加时，电子在空间被加速而取 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)。穿过栅极的 电子所形成的板流将随栅极电压VG2的增加而增大。当电子的 能量达到待测气体原子的第一激发电势U0时，电子在空间与 气体原子相碰撞，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 绝大部分能量交出，即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场 而被折回栅极(被筛选掉)。所以阳极电流将显著减小。
实验场地的实景照片
以下是电脑屏幕操作界面
Vr
四、实验内容与步骤
1．实验前先将Ip电流量程选择开关(2)拨至200nA挡。 用串行信号连接线将仪器与微机COM串行口联接。
2.打开电源，预热数分钟后，分别把“电压测量选择 开关”（4）转到“Vf”、“VG1”和“Vp”等位置， 再根据机箱上由厂家所提供的参考值，依次分别按住 “+”、“-”按键把相应的电压调到预定的参考值附 近（注意，当电压测量选择开关指到某一个电压位置， 并且该电压的指示灯亮起来时，此时按下的“+”、 “-”键仅是对这个电压进行调整，与其它的电压无 关。）。
实验 弗兰克—赫兹实验
99实验 弗兰克—赫兹实验1914年弗兰克（F ．Franck ）和赫兹（G ．Hertz ）在研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，间隔为4.9eV 并拍摄到与能量4.9eV 相对应的光谱线2537Å。
对此，他们提出了原子中存在的“临界电势”的概念：当电子能量低于与临界电势相应的临界能量时，电子与原子碰撞是弹性的，而当能量达到这一临界能量时，碰撞过程由弹性变为非弹性，电子把这份特定的能量转移给原子使之受激，原子退激时再以特定的频率为光量子形式辐射出来，电子损失的能量ΔE 与光量子能量及光子频率的关系为 ΔE = eV = h νF-H 实验证实了原子内部能量是量子化的，为玻尔于1913年发表的原子理论提供了坚实的实验基础。
1920年弗兰克及其合作者对原先实验装置作了改进提高了分辨率测得了汞的除4.9eV 以外的较高激发能级和电离能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的。
1925年弗兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。
通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，扩大弹性碰撞和非弹性碰撞的知识，学习和体验弗兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的试验思想和实验方法。
实验原理根据玻尔理论原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子，当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能跃迁到高能级（激发）如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有： eV 1=21m e v 2 = E 1 - E 0 电子在电场中获得的动能和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态V 1称为原子第一激发电势（位）。
进行F-H 实验通常使用的碰撞管是充汞的。
这是因为汞是原子分子，能级较为简单，汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸气压很低，加热就可改变它的饱和蒸气压，汞的原子量较大和电子作弹性碰撞时图1 F-H 实验线路连接图几乎不损失动能，汞的第一激发能级较低— 4.9eV，因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值，当然除充汞蒸气以外，还常用充惰性气体如氖、氩等的，这些碰撞管温度对气压影响不大，在常温下就可以进行实验。
弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验
弗兰克 (James Franck ,1882-1964)
G.赫兹 (Gustav Hertz ,1887-1975)
弗兰克-赫兹实验
• 该实验用阴极射线（电子）轰击原子，通 过分析电子的能量损失，来推断原子的能 级结构。 • 实验轰击的是汞原子气体。 • 为了理解碰撞效果，需要了解气体分子运 动论的知识，例如自由程、蒸气压、固体 热电子发射，以及原子结构的量子性。
低激发实验曲线
实验装置照片
F-H-Ⅱ实验仪
思考题
• 分析电子与气体原子碰撞，可能产生的物 理过程，哪些过程是能够被观察到的？ • 温度对实验曲线有什么影响？控制极电压 对曲线有什么影响？ • 温度对碰撞激发类型是如何调控的？ • 观察汞原子低激发曲线要求温度控制在什 么范围？观察高激发和电离现象，温度又 控制在什么范围？ • 设计观察电离现象的电路图。
激发类型与原子的浓度
• 电子一面加速一面与原子碰撞
• 相邻两次碰撞的距离决定着碰撞的类型
若干公式
• 饱和蒸气压： lg P 10.125 3200/ T
• 自由程： k BT / r 2 P • 获得能量： W eE • 电子能量损失： E E2 E1
实验原理图
原子结构的量子性
E
n=3 n=1 n=2
E3 E2 E1
• 弹性碰撞——电子没有能量损失。 • 非弹性碰撞——电子一次损失相当于原子 两能级差的能量，原子从基态被激发到高 能级，甚至电离。电子损失比较大的能量。 • 被激发的原子通过自发辐射或者碰撞辐射， 退激发，跃迁回到基态，以光的形式辐射 出能量，其中就有紫外光。
弗兰克 (James Franck ,1882-1964)
G.赫兹 (Gustav Hertz ,1887-1975)
弗兰克-赫兹实验
• 该实验用阴极射线（电子）轰击原子，通 过分析电子的能量损失，来推断原子的能 级结构。 • 实验轰击的是汞原子气体。 • 为了理解碰撞效果，需要了解气体分子运 动论的知识，例如自由程、蒸气压、固体 热电子发射，以及原子结构的量子性。
低激发实验曲线
实验装置照片
F-H-Ⅱ实验仪
思考题
• 分析电子与气体原子碰撞，可能产生的物 理过程，哪些过程是能够被观察到的？ • 温度对实验曲线有什么影响？控制极电压 对曲线有什么影响？ • 温度对碰撞激发类型是如何调控的？ • 观察汞原子低激发曲线要求温度控制在什 么范围？观察高激发和电离现象，温度又 控制在什么范围？ • 设计观察电离现象的电路图。
激发类型与原子的浓度
• 电子一面加速一面与原子碰撞
• 相邻两次碰撞的距离决定着碰撞的类型
若干公式
• 饱和蒸气压： lg P 10.125 3200/ T
• 自由程： k BT / r 2 P • 获得能量： W eE • 电子能量损失： E E2 E1
实验原理图
原子结构的量子性
E
n=3 n=1 n=2
E3 E2 E1
• 弹性碰撞——电子没有能量损失。 • 非弹性碰撞——电子一次损失相当于原子 两能级差的能量，原子从基态被激发到高 能级，甚至电离。电子损失比较大的能量。 • 被激发的原子通过自发辐射或者碰撞辐射， 退激发，跃迁回到基态，以光的形式辐射 出能量，其中就有紫外光。
弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
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。
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。
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。
夫兰克赫兹实验PPT课件
第4页/共15页
夫兰克—赫兹管的构造原理如图1所示。
在夫兰克-赫兹管中充待测气体，灯丝电源Vf给灯丝和 阴极K加热，电子由热阴极K发出，阴极K和第一栅极G1 之间的加正电压，其作是消除电子在阴极附近的堆积效 应，起到控制电子流大小的作用。第二栅极的加速电压 使电子加速，在阳极P和栅极G之间加有反向拒斥电压。
交换 态能量，
子的 那么
基态能量 当该气体
、原E子2代接表受
从电子传递来的能量恰好为
eU0=E2-E1 时，气体原子就会从基态跃迁到第一激发态。而 相 (或应称的中电肯势电差势U)。0称测为定该出气这体个元电素势的差第U一0，激就发可电以势 根据上式求出基态和第一激发态之间的能量差了。
hn = Em-En 式中h为普朗克常数,其公认值为：h=6.63×10-34 J·S
第3页/共15页
为了使原子从低能级向高能级跃迁，可 以通过让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势差为U。的加速电
场作用下，获得能量eU。当具有这种能量的电
子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量
第5页/共15页
管内空间电势分布 如图2所示。
当电子通过空间进入空间时，如果有较大的能量 (≥eUP-UG2)，就能冲过反向拒斥电场而到达阳极形成 阳极电流IP，为微电流计检出。如果电子在空间与待测 气体原子碰撞，把自己一部分能量给了待测气体原子 而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小， 以至通过第二栅极后已不足以克服拒斥电场而被折回 到第二栅极。这时，通过电流计的电流就将显著减小。
第8页/共15页
如果第二栅极电压继续增加， 电子的能量又随之增加，在与 气体原子相碰撞后还留下足够 的能量，可以克服反向拒斥电 场而达到阳极P，这时电流又 开始上升。直到电子的能量
弗兰克_赫兹实验PPT展示
谢谢观看！
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.
夫兰克赫兹实验的的结果图像分析-PPT文档资料
2019-6
0519095 王凯琳
4
实验内容
调节各参数电压UF、UG1K、UG2P的值，扫 描电压UKG的变化范围约为0-90V，重复 扫描并记录对应的I-U曲线。 比较不同参数条件下不同曲线的形状差异， 分析差异产生的可能原因。 挑选峰多且排列紧密，峰谷比较大的最理 想的一条曲线，计算汞原子的第一激发电 位值。
2019-6
0519095 王凯琳
5
实验内容
不同的UF值
2019-60519095 Nhomakorabea凯琳6
实验内容
不同的UG1K值
2019-6
0519095 王凯琳
7
实验内容
不同的UG2P值
2019-6
0519095 王凯琳
8
实验内容
挑选C-3号曲线计算
60
50
图名：峰值电压与峰序数n关系 拟合结果： Equation: y = A + B*x R^2 = 0.99985 A = -1.66667 ± 0.1992 B = 5.04167 ± 0.0237
2019-6
0519095 王凯琳
10
Thank You！
2019-6
0519095 王凯琳
11
汞原子第一激发电位 实验结果： （5.04±0.02）V 理论值： 4.9 V
40
30
20
4
6
8
10
12
n
2019-6
0519095 王凯琳
9
实验小结
通过这一实验，可以了解夫兰克和赫兹 研究气体放电现象中低能电子与原子间相互 作用的实验思想和方法，在误差允许的范围 内测得了汞原子第一激发电位值，并且着重 分析了不同的各电压参数对实验图像所造成 的影响，比较清晰的理解了电子在夫兰克赫兹管中的整个运动过程。
原子物理课件 第4节 夫兰克—赫兹实验
IA
4.68 4.9
5.29 5.78 6.73
KG间的电压 间 1
电离电势的测定 实验装置： 是发射电子的热阴极 是发射电子的热阴极、 是圆形金属网 是圆形金属网、 是圆形 实验装置：K是发射电子的热阴极、G是圆形金属网、A是圆形 阳极， 和 同电位 同电位， 维持一定的电压 维持一定的电压， 阳极，G和A同电位，GK维持一定的电压，圆柱网下底的中央 开一孔，盖一层金属网G 外另有一热阴极K 开一孔，盖一层金属网 1，G1外另有一热阴极 1。 实验分成两个步骤： 实验分成两个步骤： 1. KG维持固定电压，逐渐增加 的电流 维持固定电压， 维持固定电压 逐渐增加K的电流 起初KG间的电流上升，后来停止增加。 起初 间的电流上升，后来停止增加。 间的电流上升 这是由于： K的电子发射量较大时 的电子发射量较大时， 这是由于：当K的电子发射量较大时， 它周围有大量的电子拥挤着， 它周围有大量的电子拥挤着，不能很 快地向A极疏散 从而限制了K上电子 极疏散， 快地向 极疏散，从而限制了 上电子 的发射，使发射量不再增加。 的发射，使发射量不再增加。 2、由小加大K1G1间的电压 、由小加大 阴极K1所发的电子就被加速而进入GG1 阴极 所发的电子就被加速而进入 容器内，一旦K 容器内，一旦 1G1间的电压达到某数 值之后， 电流计突然增加 电流计突然增加。 值之后，KG电流计突然增加。 阴极
§2.4、夫兰克-赫兹实验 2.4、夫兰克-
1913年，玻尔提出了一个氢原子模型，这已被氢原子光谱和其 年 玻尔提出了一个氢原子模型， 它原子光谱的实验规律所证实。此外， 它原子光谱的实验规律所证实。此外，还可以用其它方法来证 实玻尔理论。 实玻尔理论。 1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹采取慢电子（几个到几十 年 德国物理学家夫兰克和赫兹采取慢电子（ 夫兰克和赫兹采取慢电子 个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的方法， 个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的方法，观察测量到了汞 著名的F-H实验。 实验。 的激发电位和电离电位，这就是著名的 的激发电位和电离电位，这就是著名的 实验 通过实验观测，直接证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量 通过实验观测， 是分立的、不连续的；证明了原子能级的存在， 是分立的、不连续的；证明了原子能级的存在，证明了玻尔第 一假设的正确性；为玻尔的原子结构理论的假说提供了有力的 一假设的正确性； 实验证据；为此他们分享了1925年的诺贝尔物理学奖。 年的诺贝尔物理学奖。 实验证据；为此他们分享了 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。 他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。研 究原子结构的主要途径有两个，一是利用光谱推测原子结构； 究原子结构的主要途径有两个，一是利用光谱推测原子结构； 二是利用碰撞研究原子的结构。 二是利用碰撞研究原子的结构。
弗兰克赫兹实验理论概述共35页
放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
弗兰克赫兹实验理论概述 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
弗兰克赫兹实验理论概述 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
弗兰克赫兹FranckHertz实验
F:电子发射丝
电子加速。
K:阴极
G1:控制栅极
UG
G2:加速栅极
在收集极R和加速栅极 G2之间设置减速电压UR。
2R0:19收/9/集17 极
2019/9/17
K G1
G2 R
Dr. Prof. W.N.Pang
X 17
17
注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏，消除阴极电子散射的影响。
弗兰克—赫兹实验设计的巧妙之处
科学活动：发展原子、分子和原子的量子理论方面。他把经
典力学和量子理论结合起来，从而引起原子理论的革命，对量
子力学建立起了重要作用，1922年获诺贝尔物理学奖。 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
2019/9/17
激发态(excited states)
除基态以外的其余定态。 各激发态的能量随 n 值增大而增
高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。
2019/9/17
Dr. Prof. W.N.Pang
8
原子的基态与激发态之间的关系
吸收能量
基态原子
激发态原子
释放能量
2019/9/17
Dr. Prof. W.N.Pang
2019/9/17
Dr. Prof. W.N.Pang
30
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
2019/9/17
Dr. Prof. W.N.Pang
31
五、实验报告及数据处理要求
夫兰克——赫兹实验
赫兹(G.Hertz）
夫兰克（J．Frank)
IA
数据处理
利用测量数据在坐标纸上绘制阳极电流与加速电压曲线。 找到电流峰值的电压坐标值， 用最小二乘法处理峰或谷点位置的电位 VPi=Vc+Vg*i 其中i为峰或谷的序数，VC为接触电位，Vg为拟合的第一激 发电位。
问题思考
温度对充汞F－H管的IA－VP曲线有什么影响？(答案) 在IA－VP曲线上，为什么对应板极电流IA第一个峰的 加速电压VP不等于4.9V？ (答案) 如何利用该套实验设备测出汞原子的电离电势？ (答 案)
测量原理
如装置示意图所示，在充氩的夫兰克--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 VP，使电子加速。在极板A和栅极G2之间加有减速电压 V3，管内电位分布如图所示。当电子通过KG2空间进入 G2A空间时如果能量大于eE3， 就能达到板极形成板流。 电子在KG2空间与氩原子发生了非弹性碰撞后，电子本 身剩余的能量小于eE3，则电子不能到达板极，板极电 流将会随栅极电压增加而减少。实验时使VP逐渐增加， 仔细观察板极电流IA的变化，我们将观察到如下叶图中 所示的I A ~ VP曲线。
问题答案
温度对充汞F－H管的IA－VP曲线有什么影响？ 答：当温度过大时，单位体积内的汞原子数增 加，电子的平均自由程减小，电子与汞原子的碰 撞次数增加，因此，在整个加速过程中，弹性碰 撞的总能量损失相应增大，其IA电流减小。
问题答案
在IG2A－UG2K曲线上，为什么对应板极电流IG2K 第一个峰的加速电压UG2K不等于4.9V？ 答：对应板极电流IG2K第一个峰的加速电压 UG2K不等于4.9V的主要原因是：由于阴极与栅极不 是由同一种材料组成，其间存在接触电势差。
弗兰克赫兹实验-最全资料PPT
一激发电位U0。 3、按下“自动/手动”键，将数据清零。
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。
连续的值E1、E2、E3、…。
2）跃迁假设：原子从一个定态E2 跃迁到另一个定态E1时，要辐射出一 个光子，其频率是一定的，满足：
hυ=E2-E1
实验原理——玻尔原子模型
一般情况下，原子的最外层电子都是处于基态的。 当原子受到外部能量的作用后，其最外层电子就 会跃迁到高能级上，变为激发态原子，eU0=E2-E1 。 激发态原子极不稳定，在极短时间内就会重新跃 迁回基态，并将其吸收的能量以光子形式释放出 去,hυ=E2-E1 。每一种跃迁都会发射出一种波长的光， 在光谱中相应的产生一种谱线。
电流（或谷 hυ=E2-E1
9 V的电势差引起了汞离子的电离，这恰与当时比较盛行的“斯塔克理论”相恰和。
(1)“自动/手动”；
电流）对应 与原子碰撞后剩余能量足以穿越板极A的电子数量增多，电流增大！
原子能级的存在最早是从光谱学的研究中推断出来的。
的电压差。 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。
弗兰克-赫兹简介
海因里希•鲁道夫•赫兹，德国物理学家， 于 1888 年 首 先 证 实 了 电 磁 波 的 存 在 ， 并 对 电磁学有很大贡献，故频率的国际单位制单 位“赫兹”以他的名字命名。
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。
连续的值E1、E2、E3、…。
2）跃迁假设：原子从一个定态E2 跃迁到另一个定态E1时，要辐射出一 个光子，其频率是一定的，满足：
hυ=E2-E1
实验原理——玻尔原子模型
一般情况下，原子的最外层电子都是处于基态的。 当原子受到外部能量的作用后，其最外层电子就 会跃迁到高能级上，变为激发态原子，eU0=E2-E1 。 激发态原子极不稳定，在极短时间内就会重新跃 迁回基态，并将其吸收的能量以光子形式释放出 去,hυ=E2-E1 。每一种跃迁都会发射出一种波长的光， 在光谱中相应的产生一种谱线。
电流（或谷 hυ=E2-E1
9 V的电势差引起了汞离子的电离，这恰与当时比较盛行的“斯塔克理论”相恰和。
(1)“自动/手动”；
电流）对应 与原子碰撞后剩余能量足以穿越板极A的电子数量增多，电流增大！
原子能级的存在最早是从光谱学的研究中推断出来的。
的电压差。 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。
弗兰克-赫兹简介
海因里希•鲁道夫•赫兹，德国物理学家， 于 1888 年 首 先 证 实 了 电 磁 波 的 存 在 ， 并 对 电磁学有很大贡献，故频率的国际单位制单 位“赫兹”以他的名字命名。
夫兰克--赫兹实验实用PPT文档
当电子与氢原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场而到达板极P，此时板极电流将开始上升。
夫非兰弹克 性-碰-赫撞兹时实，验各电电子路参损原耗理考大量电能量压，速一率明定显减要小。在实验卡给定的数据范围之内，否则
将造成管子的老化或激穿。 当电子与氢原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场而到达板极P，此时板极电流将开始上升。
撞因。此他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
F13
因数此据他 处们理获得了1电925年压的诺U贝尔F物、理学控奖。制栅电压U1和减速电压U3。
加速电压U 由扫描电源E 供给，输出波形为锯齿 (1)逐差法处理数据
加速电压U2由扫描电源E2供给，输出波形2为锯齿波，扫描分为手动和自2动两种。
波，扫描分为手动和自动两种。 夫兰克--赫兹实验电路原理
IP ~ U2曲线
IP(10-8)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
图２)
原子的激发电位
随着U2 的增加，电子能量增加。当电子与氢原子碰 撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场 而到达板极P，此时板极电流将开始上升。如果电子 在KG2空间得到的能量 eU2 =2 ∆E，电子在KG空间 会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电 流下降。在U2 较高的情况下，电子在跑向栅极的路 程中，将与氢原子发生多次非弹性碰撞、只要U2 = n ∆ E（ n=1， 2，…），就发生这种碰撞。在IP ~ U2曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰 （或谷）对应的U0之差，即为原子的第一激发电位。
夫非兰弹克 性-碰-赫撞兹时实，验各电电子路参损原耗理考大量电能量压，速一率明定显减要小。在实验卡给定的数据范围之内，否则
将造成管子的老化或激穿。 当电子与氢原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场而到达板极P，此时板极电流将开始上升。
撞因。此他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
F13
因数此据他 处们理获得了1电925年压的诺U贝尔F物、理学控奖。制栅电压U1和减速电压U3。
加速电压U 由扫描电源E 供给，输出波形为锯齿 (1)逐差法处理数据
加速电压U2由扫描电源E2供给，输出波形2为锯齿波，扫描分为手动和自2动两种。
波，扫描分为手动和自动两种。 夫兰克--赫兹实验电路原理
IP ~ U2曲线
IP(10-8)
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图２)
原子的激发电位
随着U2 的增加，电子能量增加。当电子与氢原子碰 撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场 而到达板极P，此时板极电流将开始上升。如果电子 在KG2空间得到的能量 eU2 =2 ∆E，电子在KG空间 会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电 流下降。在U2 较高的情况下，电子在跑向栅极的路 程中，将与氢原子发生多次非弹性碰撞、只要U2 = n ∆ E（ n=1， 2，…），就发生这种碰撞。在IP ~ U2曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰 （或谷）对应的U0之差，即为原子的第一激发电位。