弗兰克赫兹实验
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弗兰克-赫兹实验 弗兰克-
实
验
目
的
本实验通过对氩原子第一激发电位的测量， 1.本实验通过对氩原子第一激发电位的测量，了解弗 兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和方 法； 了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像， 2 . 了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像 ， 以及影响这个过程的主要物理因素． 以及影响这个过程的主要物理因素．
实
验
仪
器
夫兰克-赫兹（简称F H 实验仪， 夫兰克-赫兹（简称F—H）实验仪， F—H 加热炉，DM nA2 微电流测量仪， H 加热炉，DM—nA2 微电流测量仪， 温度控制器，电流线和屏蔽线。 温度控制器，电流线和屏蔽线。
实验原理
根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型， 根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型， 核外电子只能分立地量子化地长存于各稳定能 (n＝ 态En (n＝1，2，…，)它只能选择性地吸收外 ， 界给予的量子化能量差值(En Ek)， (En界给予的量子化能量差值(En- Ek)，从而处于 被激发的状态； 被激发的状态；或电子从激发态选择性地释放 量子化的能量En-Ek =hγnk，回到能量较低的 量子化的能量En=hγnk， En 状态，同时放出频率为hγnk 的光。其中h 状态，同时放出频率为hγnk 的光。其中h为 普朗克常数。 普朗克常数。
Vn +1 − Vn = V0
1 k
k
V0 =
∑
V
n =1
n +1
− V
（2）
n
式中V0为一恒定值，它就是(汞)原子的第一电位。所以V0 恒定就表明电子是与原子作多次碰撞后多次损失同 式中V0为一恒定值，它就是( 原子的第一电位。所以V0 V0为一恒定值 一能量的结果。 一能量的结果。 由于K 与栅极G 间存在着接触电位差， 由于K 与栅极G 间存在着接触电位差，所以 V1≠V0V1≠V0-VKG （3） 故应按（ 式和（ 式求V0的值。 V0的值 故应按（1）式和（2）式求V0的值。
从曲线上可以看出， 开始逐渐增到大于VGA 的值后，IA才逐渐有增 直至VKG增到V1开始下降。 才逐渐有增， VKG增到V1开始下降 从曲线上可以看出，当VKG 从0开始逐渐增到大于VGA 的值后，IA才逐渐有增，直至VKG增到V1开始下降。这 表明有一部分电子经非弹性碰撞的量子化能量损失以后折回了GK 回路而不能到阳极A 随后当VKG 表明有一部分电子经非弹性碰撞的量子化能量损失以后折回了GK 回路而不能到阳极A。随后当VKG 继续增加 IA随 的增加而下降， 增到一定的值后，IA又开始上升 所以， 又开始上升。 时， IA随VKG 的增加而下降，当VKG 增到一定的值后，IA又开始上升。所以，当电子在碰撞中有两次能量的 量子化交换时，VKG值在该点就有IA的下降 如此等等。 值在该点就有IA的下降， 量子化交换时，VKG值在该点就有IA的下降，如此等等。即 （1）
I
40
A
(nA
)
30
20 10
V
0
GA
5
V
1
10
15
20
25
V
KG
(V )
图
6
—
4 －２
实
验
内
容
I A − UG2K 1 . 手动测量氩原子的 曲线 每变化0 测量一个点，选择60 80个数据作图 60- 个数据作图， 每变化 0 .5 V测量一个点 ， 选择 60 -80个数据作图 ， 标 出峰值， 出峰值，取缔一个峰 U1 和第六个峰 U 6 ，
U g = (U 6 − U1 ) / 5 利用 第一激发电位， 第一激发电位，和参考值 根据仪器标签确定： 根据仪器标签确定： U G1 K
计算出氩原子的平均 U g = 11.39V 比较。 比较。
UG2A
UG2K
灯丝电源电压。 灯丝电源电压。
热电偶
H
K
o o o
电子
~ 220•AFra bibliotekVHg 原子
控温器
G
I
A
V
KG
V GA
4 .5V
30 V
图 6 — 4 —１
3V
将充汞的F H 管安装在温度可调的加热炉(虚线框) 给灯丝加6 不能高于6 将充汞的F—H 管安装在温度可调的加热炉(虚线框)内。给灯丝加6伏（不能高于6 的电压使其发射热电子。热电子在加热栅极G 的电压VKG 的作用下， 伏）的电压使其发射热电子。热电子在加热栅极G 的电压VKG 的作用下，电子获 =＋ 的能量，向阳极A 前进。在前进途中，电子与汞原子发生碰撞， 得E =＋eVKG 的能量，向阳极A 前进。在前进途中，电子与汞原子发生碰撞，同 时在GA VGA， 时在GA 之间加一较小的反向遏止电压 －VGA，用来鉴别电子在碰撞中的能量损失 情况。 情况。 电子在碰撞中若没有能量损失(弹性碰撞) 则穿过栅极G 电子在碰撞中若没有能量损失(弹性碰撞)，则穿过栅极G 的电子可以全部达到阳 所以阳极电流IA 将随VGA 的增加而单调上升。 极A。所以阳极电流IA 将随VGA 的增加而单调上升。若电子在碰撞中损失了能量 非弹性碰撞) 其动能ε 的电子就将被遏止电压逼回栅极G 而回到GK (非弹性碰撞)，其动能ε＜eVGA 的电子就将被遏止电压逼回栅极G 而回到GK 回 在非弹性碰撞中，若能量的交换是连续的，虽有部分电子被遏止电压逼回， 路。在非弹性碰撞中，若能量的交换是连续的，虽有部分电子被遏止电压逼回， 略有减小，但仍为单调变化。当能量的交换是量子化的，则在该VGA V1） VGA（ 使IA 略有减小，但仍为单调变化。当能量的交换是量子化的，则在该VGA（V1） 点就将出现非单调的变化。 点就将出现非单调的变化。
实
验
目
的
本实验通过对氩原子第一激发电位的测量， 1.本实验通过对氩原子第一激发电位的测量，了解弗 兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和方 法； 了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像， 2 . 了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像 ， 以及影响这个过程的主要物理因素． 以及影响这个过程的主要物理因素．
实
验
仪
器
夫兰克-赫兹（简称F H 实验仪， 夫兰克-赫兹（简称F—H）实验仪， F—H 加热炉，DM nA2 微电流测量仪， H 加热炉，DM—nA2 微电流测量仪， 温度控制器，电流线和屏蔽线。 温度控制器，电流线和屏蔽线。
实验原理
根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型， 根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型， 核外电子只能分立地量子化地长存于各稳定能 (n＝ 态En (n＝1，2，…，)它只能选择性地吸收外 ， 界给予的量子化能量差值(En Ek)， (En界给予的量子化能量差值(En- Ek)，从而处于 被激发的状态； 被激发的状态；或电子从激发态选择性地释放 量子化的能量En-Ek =hγnk，回到能量较低的 量子化的能量En=hγnk， En 状态，同时放出频率为hγnk 的光。其中h 状态，同时放出频率为hγnk 的光。其中h为 普朗克常数。 普朗克常数。
Vn +1 − Vn = V0
1 k
k
V0 =
∑
V
n =1
n +1
− V
（2）
n
式中V0为一恒定值，它就是(汞)原子的第一电位。所以V0 恒定就表明电子是与原子作多次碰撞后多次损失同 式中V0为一恒定值，它就是( 原子的第一电位。所以V0 V0为一恒定值 一能量的结果。 一能量的结果。 由于K 与栅极G 间存在着接触电位差， 由于K 与栅极G 间存在着接触电位差，所以 V1≠V0V1≠V0-VKG （3） 故应按（ 式和（ 式求V0的值。 V0的值 故应按（1）式和（2）式求V0的值。
从曲线上可以看出， 开始逐渐增到大于VGA 的值后，IA才逐渐有增 直至VKG增到V1开始下降。 才逐渐有增， VKG增到V1开始下降 从曲线上可以看出，当VKG 从0开始逐渐增到大于VGA 的值后，IA才逐渐有增，直至VKG增到V1开始下降。这 表明有一部分电子经非弹性碰撞的量子化能量损失以后折回了GK 回路而不能到阳极A 随后当VKG 表明有一部分电子经非弹性碰撞的量子化能量损失以后折回了GK 回路而不能到阳极A。随后当VKG 继续增加 IA随 的增加而下降， 增到一定的值后，IA又开始上升 所以， 又开始上升。 时， IA随VKG 的增加而下降，当VKG 增到一定的值后，IA又开始上升。所以，当电子在碰撞中有两次能量的 量子化交换时，VKG值在该点就有IA的下降 如此等等。 值在该点就有IA的下降， 量子化交换时，VKG值在该点就有IA的下降，如此等等。即 （1）
I
40
A
(nA
)
30
20 10
V
0
GA
5
V
1
10
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20
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V
KG
(V )
图
6
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4 －２
实
验
内
容
I A − UG2K 1 . 手动测量氩原子的 曲线 每变化0 测量一个点，选择60 80个数据作图 60- 个数据作图， 每变化 0 .5 V测量一个点 ， 选择 60 -80个数据作图 ， 标 出峰值， 出峰值，取缔一个峰 U1 和第六个峰 U 6 ，
U g = (U 6 − U1 ) / 5 利用 第一激发电位， 第一激发电位，和参考值 根据仪器标签确定： 根据仪器标签确定： U G1 K
计算出氩原子的平均 U g = 11.39V 比较。 比较。
UG2A
UG2K
灯丝电源电压。 灯丝电源电压。
热电偶
H
K
o o o
电子
~ 220•AFra bibliotekVHg 原子
控温器
G
I
A
V
KG
V GA
4 .5V
30 V
图 6 — 4 —１
3V
将充汞的F H 管安装在温度可调的加热炉(虚线框) 给灯丝加6 不能高于6 将充汞的F—H 管安装在温度可调的加热炉(虚线框)内。给灯丝加6伏（不能高于6 的电压使其发射热电子。热电子在加热栅极G 的电压VKG 的作用下， 伏）的电压使其发射热电子。热电子在加热栅极G 的电压VKG 的作用下，电子获 =＋ 的能量，向阳极A 前进。在前进途中，电子与汞原子发生碰撞， 得E =＋eVKG 的能量，向阳极A 前进。在前进途中，电子与汞原子发生碰撞，同 时在GA VGA， 时在GA 之间加一较小的反向遏止电压 －VGA，用来鉴别电子在碰撞中的能量损失 情况。 情况。 电子在碰撞中若没有能量损失(弹性碰撞) 则穿过栅极G 电子在碰撞中若没有能量损失(弹性碰撞)，则穿过栅极G 的电子可以全部达到阳 所以阳极电流IA 将随VGA 的增加而单调上升。 极A。所以阳极电流IA 将随VGA 的增加而单调上升。若电子在碰撞中损失了能量 非弹性碰撞) 其动能ε 的电子就将被遏止电压逼回栅极G 而回到GK (非弹性碰撞)，其动能ε＜eVGA 的电子就将被遏止电压逼回栅极G 而回到GK 回 在非弹性碰撞中，若能量的交换是连续的，虽有部分电子被遏止电压逼回， 路。在非弹性碰撞中，若能量的交换是连续的，虽有部分电子被遏止电压逼回， 略有减小，但仍为单调变化。当能量的交换是量子化的，则在该VGA V1） VGA（ 使IA 略有减小，但仍为单调变化。当能量的交换是量子化的，则在该VGA（V1） 点就将出现非单调的变化。 点就将出现非单调的变化。