夫兰克赫兹实验
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。
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。
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。
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(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
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（1926年于德国洛丁根补发）。 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。
(JAMES FRANCK)
(GUSTAV HERTZ)
原子内部能量量子化证据: (1) 原子光谱分立性 ; (2) 夫兰克-赫兹实验
IA
(nA)
e c a b o o V1 d V2 V3
V4
V5
V6
VG2K
图2-2-4 夫兰克—赫兹管的IA～VG2K曲线
实验内容及操作步骤
实验内容
用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一 激发电位，并做比较。 分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F—H实验曲线的影 响。 了解计算机数据采集、数据处理的方法。
E2
h
h
hc
E1
hc 1.24 AKeV 2530 A E 4.9eV
E
实验＝2537A
实验与理论符合非常好
二. 较高激发电势的测定
1. 实验装置及实验原理
1920年, Franck改进实验装置
K G1
Hg
K
Hg
GA
V
0.5 V
A
G2 A
K：旁热式热阴极，均匀发 射电子，提高能量测量精度
一. 第一激发电势的测定
1.实验目的：验证原子能量的量子化。 2.实验原理（结合装置介绍）：
GA
Hg
K
K：热阴极，发射电子
KG区：电子加速，与Hg原 子碰撞
A
0.5 V
V
夫兰克-赫兹实验装置
GA区：电子减速，能量大 于0.5 eV的电子可克服反向 偏压，产生电流
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
弗兰克—赫兹实验证明原子内部结构存在分立的定态能级。
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、互相分立的能量状态”，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。
在原子物理学的发展中，丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)因为在1913年发表了原子模型而获得了1922年度诺贝尔物理学奖。
在玻尔发表原子模型理论的第二年，德国科学家弗兰克(J.Franck)和赫兹(G.hertz)用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到高能级。
他们对电子与原子碰撞时能量交换的研究所发现的规律性，直接证明了原子能级的存在，即原子能量的量子化现象。
弗兰克和赫兹的实验证明了玻尔原子理论的正确性，因而，他们获得了1925年度诺贝尔物理学奖。
通过实验了解弗兰克－赫兹实验的原理和方法，测定氩的第一激发电位，验证原子能级的存在。
使用弹性碰撞和非弹性碰撞的理论，法兰克和赫兹给予了这实验合理的解释。
当电压很低时，被加速的电子只能获得一点点能量。
他们只能与水银原子进行纯弹性碰撞。
这是因为量子力学不允许一个原子吸收任何能量，除非碰撞能量大于将电子跃迁至较高的能量量子态所需的能量。
由于是纯弹性碰撞，系统内的总动能大约不变。
又因为电子的质量超小于水银原子的质量，电子能够紧紧地获取大部分的动能。
增加电压会使电场增加，刚从阴极发射出来的电子，感受到的静电力也会加大。
电子的速度会加快，更有能量地冲向栅极。
所以，更多的电子会冲过栅极，抵达阳极。
因此安培计读到的电流也会单调递增。
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。
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。
弗兰克赫兹实验
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，它为研究电子的波粒二象性提供了直接的实验证据。
本文将详细介绍弗兰克赫兹实验的背景、原理、实验装置和观察结果，力求在3000字的篇幅内全面而详细地向读者展示这一经典实验。
弗兰克赫兹实验是由德国物理学家James Franck和Gustav Hertz于1914年共同进行的。
该实验旨在验证波粒二象性的理论，并对能级结构和能量传递的量子现象进行研究。
实验结果的发现对后来的量子力学理论发展起到了重要的推动作用。
实验所用的装置包括一个真空室、一个阴极和一个阳极。
阴极发射出高能电子，在经过加速电场后通过一个孔径进入真空室。
真空室内部有一系列金属薄片组成的收集极，这些薄片可以调节电子通过的路径。
阳极则负责测量电流的变化。
实验中，实验者通过改变收集极的电压和电流，以及调节阴极发射电流的强度，观察电子束在真空室内的行为变化。
结果表明，当电压较低时，电子束可以通过收集极，到达阳极，这是电子的波动性质的一种表现。
但是当电压逐渐增加，当达到一定值时，电子束却无法通过收集极，而被反射回来。
这一现象被解释为电子具有粒子性质，即通过电压控制电子的动能，达到一定能量的电子才能穿过收集极。
弗兰克赫兹实验的观察结果验证了电子具有波粒二象性的理论。
实验结果表明，电子既具有波动性质又具有粒子性质。
在低能量情况下，电子表现出波动性质，能够通过收集极。
但是当电子的能量增加到一定程度时，其粒子性质开始显现，电子被反射回来。
弗兰克赫兹实验的成功对于量子力学的发展有着重要的意义。
它证明了波粒二象性理论的正确性，推动了人们对粒子行为和能级结构的研究。
此后，人们对微观世界的认识逐渐深入，量子力学理论也得以建立和完善。
总结来说，弗兰克赫兹实验是一项重要的物理实验，通过研究电子的波粒二象性进行验证。
实验结果表明，电子既具有波动性质又具有粒子性质。
这一实验的成功推动了量子力学理论的发展，并对研究微观世界的行为和结构提供了重要的实验基础。
弗兰克赫兹实验
弗兰克—赫兹实验一、实验的历史背景1913年丹麦物理学家玻尔（NBohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。
玻尔认为，原子内部存在稳定的量子态，电子在量子态之间跃迁时伴随着电磁波的吸收和发射，即有E = EmEn （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。
弗兰克与赫兹认为，用电子束激发原子，如果原子只能处于某些分立的能态，那么实验一定会显示：只有某种能量的电子能引起原子的激发。
1914年德国物理学家弗兰克（JFranck）和赫兹（GHertz）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。
但是他们1914年的实验装置有一缺点：电子的动能难以超过4.9eV，一旦被加速达到4.9eV，就将与汞原子碰撞而失去能量，这样，就无法使汞原子受激发达到更高的能态，以至于只能证实汞原子的4.9eV这一个量子态。
1920年，弗兰克将原先的实验装置做了改进，其最大的特点是把加速与碰撞分在两个区域内进行，可使电子在加速区获得相当高的能量。
实验确实显示出汞原子内存在一系列的量子态。
1924年，赫兹用改进后的装置重新做了实验，充分说明了原子跃迁时吸收的能量是不连续的。
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。
夫兰克——赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。
二、弗兰克赫兹管内的物理过程夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K，板极A，G1 、G2分别为第一、第二栅极。
K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。
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。
G2-A加反向电压，形成拒斥电场。
电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。
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夫兰克-赫兹实验20世纪初，在原子光谱的研究中确定了原子能级的存在。
原子光谱中的每根谱线就是原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射形成的。
原子能极的存在，除了可由光谱研究证实外，还可利用慢电子轰击稀薄气体原子的方法来证明。
1914年夫兰克-赫兹采用这种方法研究了电子与原子碰撞前后电子能量改变的情况，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立态的存在。
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假设中的频率定则。
夫兰克-赫兹实验的结果为玻尔的原子模型理论提供了直接证据，他们获得了1925年度的诺贝尔物理奖。
［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。
［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(图1)。
对于不同的原子，这些轨道上的电子数分布各不相同。
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(如图1中从Ⅰ到Ⅱ)，原子就处于受激状态。
若轨道Ⅰ为正常状态，则较高能量的Ⅱ和Ⅲ依次称为第一受激态和第二受激态，等等。
但是原子所处的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i E (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： m n E E hv -= (1)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，二是当原子与其他图1 原子结构示意图（玻尔模型）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，其余的能量仍由电子保留。
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v 满足下式R eU hv (2)式中R 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。
图2夫兰克-赫兹实验线路原理图夫兰克-赫兹实验的原理可用图2为证明。
其中夫兰克-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提供U G 。
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 间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸气朝栅极2G 运动，由地阴极到栅极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 和板极P 之间建立一拒斥场，到达2G 附近而能量小于R eU 的电子不能到达板极。
板极电路中的电流强度P I 用微电流放大器A 为测量，其值大小反映了从阴极到达板极的电子数。
实验中保持R U 和C U 不变，直接测量板极电流I P 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 等于或租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 。
这些损失了能量的电子不能越过U R 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以达板极P ，这时电流又开始上升。
直到2G 与K 间的电压是二倍于汞原子的第一激发电位(2U g )时，电子在G 2附近又会因第二次非弹必碰撞而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到达板极，电流I p 再度下降。
同样的道理，随着加速电压的a U 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I p 就会相应下跌，形成具有规则起伏的I P -a U 曲线。
图3是利用微电流放大器测得的汞原子的实验曲线，两峰之间的电位差等于汞原子第一激发电位。
本实验的任务就是要测出这条曲线，并由此定出汞原子的第一激发电位。
实验中板极电流I p 的下降并不是完全突然的，其峰值总有一定的宽度。
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的几率，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。
图3夫兰克-赫兹实验曲线(汞蒸气管)［实验仪器］夫兰克-赫兹实验仪实验用线路如图2所示。
所用仪器由夫兰克-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)夫兰克-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℃～210℃，在小于180℃时可获得明显的第一谱峰。
图4加热炉外形面板图1—板极；2—接地端；3—栅板G2;4—灯丝；5—灯丝阴极；6—控制栅极G1;7—感温探头；8—加热炉电源交流220V(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，夫兰克-赫兹管的各电极均已连到面板上各相应接线端。
背面有玻璃观察窗，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4所示。
(3)温度控制仪，它由交流控温电桥、交流放大器、相敏放大器、控温扩行继电器四部分组成。
控温范围20℃～300℃，控温精度±1℃，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U A。
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。
该仪器是利用高输入阻抗运算放大器制成的I-U 变换器，可测量10-10A ～10-8A 的电流，在本实验中用来测量板极电流I p 。
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”旋纽，使电流表指针指零。
由于电流为电子流，应将极性开关板到“一”。
微机控制的夫兰克-赫兹实验数据采集系统系统选用的数据采集卡是AC 1095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。
图5数据采集系统框图系统中微电流放大器与A /D 接口板间加了一个光耦合隔离器，以解决电流数据I p 及电压数据U A 不共地的问题，否则A /D 采到的信号常会出现乱码。
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I p 。
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。
实验时请阅读实验室内的详细说明。
［实验步骤及注意事项］(1)接线和检查线路：参考图2电路接线，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。
请教师检查线路后，方可通电。
(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I p -a U 变化情况：开启稳压电源和扫描电源。
根据给定的U f 、U G 、U R 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I p 的变化情况，此时应能看到I P 的起伏变化。
分别改变U f 、U G 、U R 及炉温值，观察每个参量对I P -U A 曲线的影响。
最后，要求随着U A 的增加能观察到I P 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I p -a 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；③U f 和炉温改变时，对I p 的影响有一段滞后时间，不要一下子改变很多。
每改变一次，等2min ～3min 再观察I P 的变化；④若电流I P 迅速增大，表明汞原子已明显电离，此时应立即减小U A ；⑤有时扫描电源也可置于“知动”，周期选用“40s ”。
(4)测量I P -a U 线：在得到了满足3中要求的最佳条件，并待I P -a U 变化规律也已达稳定后，可开始逐点测量数据。
利用“手动”扫描方式，缓慢增加U A ,从0V 到60V 左右，逐点记录a U 及相应的I P 值。
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I P 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I P -a U 曲线。
［数据处理及误差分析］由前面的讨论可知，I p -a U 曲线上相邻两峰值之间的电位差就是汞原子的第一激发电位U g 。
实验得到几个峰值，用逐差法或线性拟合方法处理数据，可使U g 求得更准确。
计算方法自拟。
关于U g 的误差，应从测量过程中的随机误差和外接电压表的仪器误差两方面来考虑。
计算出△U g 值。
数字电压表精度为0.1%U +0.1V 。
思 考 题1.为什么I P -U P 呈周期性变化?2.拒斥电压U R 增大时，I P 如何改变?3.灯丝电压U f 改变时，夫兰克-赫兹管内什么参量将发生改变?4.炉温的大小直接影响管内什么参量?附录：智能夫兰克－赫兹性能简介该仪器用于测量氩原子的激发电位。
观察其特殊的伏安特性现象。
研究原子能级的量子特性。