弗兰克赫兹实验图
弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验实验目的：(1)掌握弗兰克-赫兹实验原理，加深对玻尔理论的理解。
(2)掌握测量原子激发电势的实验方法。
(3)测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。
实验仪器弗兰克-赫兹实验仪，电子示波器(或微机)。
实验仪器：弗兰克-赫兹实验仪，电子示波器（或微机）实验原理：弗兰克-赫兹实验的原理如图62-1所示。
在充氩气的弗兰克-赫兹管中，被灯丝加热的阴极K均匀发射电子，阴极K和第一栅极G1之间的距离很小，一般小于电子在氩气中的平均自由程，其目的是使阴极K附近的电子尽快加速进入第一栅极G1，与第二栅极G2。
之间的加速空间，而不要停留在阴极K周围形成负电位阻碍电子的发射。
电子在G1、G2空间被Ug2k 电压加速向板极A运动，板极A和第二栅极G2。
之间加有反向拒斥电压Ug2a。
弗兰克-赫兹管内空间电位的分布如图62-2所示。
进行弗兰克-赫兹实验时，如果电子在G1，G2。
空间内加速获得的能量低于氩气原子的激发电势(一般是第一激发电势)，它与氩气原子发生碰撞就不能使之激发而失去能量，因此就有较大的能量(eUg2a)克服拒斥电压到达板极A形成板极电流I。
加速电压Ug2k逐渐增大，板极电流1也逐渐增大。
但当电子在G1、G2。
空间内加速获得的能量足以使氩气原子激发时，电子在与氩气原子碰撞后剩余的能量就很小，以致通过第二栅极G2。
后已无法克服拒斥电压而被迫返回到第二栅极，这时板极电流I就开始减少，随着加速电压Ug2k继续增加，碰撞后能使氩气原子激发的电子越来越多，板极电流I也就越来越小。
图62-3是使用充氩气弗兰克-赫兹管实验所测得板极电流Ⅰ与加速电压Ug2k的关系曲线。
如图62-3所示的I-Ug2k关系曲线明显地反映出电子在G1、G2空间与氩气原子碰撞后能量交换的情况，图中第一个板极电流峰1的形成就如上一段原理所述。
形成峰1后继续增加Ug2k，板极电流Ⅰ也继续减小，但当电子激发氩气原子后的剩余能量又足够克服拒斥电压到达板极A时，板极电流Ⅰ就不减反增了，从而形成了第一个板极电流谷I’。
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。
PPT-弗兰克-赫兹实验
E≥e•VG2A 时 ： 电 子 穿 越 板 极 A 形成电流，且随着VG2K的增大， 能电流够I穿A增越大的！电子数量越来越多，IA-UG2K曲线
第一激发电位与电流变化的关系
原子第一激 发电位等于 相邻两个峰 电流（或谷 电流）对应 的电压差。
U0 U0 U0 U0 U0
2K曲线
电流显示
实验原理——弗兰克赫兹实验
UG2K=U3
UG2K=U1 电子与原子U第G2K一=U2
与原子碰撞交出能量的电 子数量增多，能量损失后
氩原子
次碰撞，将eU0能 量传递给原子
未能穿越板极A，电流减 小！
弗兰克－赫兹实验线路原理图
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！
E≤e•VG2A 时 ： 电 子 未 能穿越板极A形成电流， 栅极电流为零！
弗兰克-赫兹实验
基础部-物理实验室
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。
弗兰克-赫兹实验简介
原子能级的存在最早是从光谱学的研究 中推断出来的。1914年，弗兰克和赫兹采 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。
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。
弗兰克赫兹实验报告
***学院近代物理实验报告实验名称：弗兰克赫兹实验实验目的：通过测定亚原子等元素的第一集发典韦，证明原子能级的存在。
实验原理1、电子和气态汞原子碰撞利用电子和气态汞原子的碰撞最容易实现弗兰克赫兹实验。
原子从低能级E n 向高能级E m 跃迁可以通过具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。
若与原子碰撞的电子是在电势差V 的加速下，速度由0到v ，则221mv eV E E E n m ==-=∆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 称为第一激发电位，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 称为该原子的电离电位。
2、实验装置实验原理图：电子碰撞在F-H 管内进行。
真空管内充以不同的元素就可以测出相应元素的第一激发电位。
F-H 四极管包括电极灯丝F ，氧化物阴极K ，两个栅极G1和G2和一个屏极A ，阴极K 照在灯丝F 外，又灯丝F 的电压可控制K 发射电子的强度，靠近阴极K 的实第一栅极，在G1和K 之间加有一个小正电压VG1K ，第二栅极远离G1而靠近屏极A ，G2和A 之间加一小的遏止负电压VG2A.F-H 管内充有Hg 时，VG2K 和屏流Ip 满足：}23exp{2K G p V C I =充Hg 的F-H 管被加热式Hg 气化后，Ip-VG2K 曲线发生变化，如图所示当VG2K=4.9nV(n=1,2,3…)时，图线上都将出现一个峰值，原因是每到一个4.9V电子与汞原子发生了非弹性碰撞，电子将能量全部转移给汞原子，失去能量的电子不能到达屏极。
实验步骤及内容一、测Hg的第一激发电位1、将装置温度调整到一定值，然后将Vf,Vp,Vg调制标定值Vf=1.3V VG1K=2.5V VG2P=1.5V T=157℃2、测量VG2K-Ip曲线，先将VG2K跳至(调至)最小，之后每增大0.5V记录一次Ip的数据，直到测出6到8个峰二、测Ar的第一激发电位1、接线2、扫描开关调至“自动”挡，速度开关调至“快进（快速）”3、调整示波器“CH1”“CH2”的位置4、调节VG1,Vp,Vf的位置至给定值5、开始测量，从零开始，VG2K每隔0.05V记录一次Ip值直到最大VG2K实际值：示数x10，Ip实际值：示数x10（na）测量数据及分析VG2K/ Ip/uA VG2K/V Ip/uA VG2K/V Ip/uA VG2K/V Ip/uA VG2K/V Ip/Ua0.5 0 8 1.5 15.5 8.4 23 2.5 30.5 17.61 0 8.5 0.9 16 9.8 23.5 5 31 16.2 1.5 0 9 1 16.5 9.3 24 8 31.5 121、汞5101520253035404505101520I p /u A各峰值之间的VG2K 之差为 ΔV1=11.41-6.92=4.49V ΔV2=16.15-11.41=4.74V ΔV3=20.78-16.15=4.63V ΔV4=25.61-20.78=4.83V ΔV5=30.50-25.61=4.89V ΔV6=35.41-30.50=4.91VΔV7=40.30-35.41=4.89V故汞的第一激发电位为V V 76.4789.491.489.483.463.474.449.4=++++++=Ar 的Ip-VG2K 数据020406080100120A各峰值之间的差为ΔV1=29.12-19.16=9.96V ΔV2=40.46-29.12=11.34V ΔV3=52.09-40.46=11.63V ΔV4=63.92-52.09=11.83V ΔV5=76.33-63.92=12.41V ΔV6=89.28-76.33=12.95V故Ar 的第一激发电位为V V 69.11695.1241.1286.1163.1134.1196.9=+++++=思考题当F-H 管温度较低时，由于电子平均自由程大，电子有机会使积蓄的能量超过4.9eV ，从而使原子向高激发态跃迁的概率增加，这样图像上Ip 会对应出现高激发态的峰值，曲线的峰间距变长，峰值增大。
弗兰克赫兹实验
由玻尔理论可知，处于基态的原子发 生状态改变时，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， 这个能量称为临界能量。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（电子不损失能量）；若电子 能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞 （电子把数值为△E= E2 - E1 的能量交给 氩原子，只保留余下的部分）；
E = Em En
（ 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 玻尔的原子模型理论提供了直接证据，对玻尔的原子理论 是一个极有力的支持。 玻尔因原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖。 弗兰克与赫兹的实验于1925年获诺贝尔物理学奖。弗 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。
3.Vg测与Vg理=11.61v进行比较，计算出相对误差写 出完整的结果表达式。得出结论（出现吸收峰， 说明原子能量不连续。峰值等间隔，说明同类原 子的第一激发电位相同）。
注意：
1、（旧仪器打开电源前，必须将几个电压的旋钮逆 时针旋到底。各电压值须按照给定值进行设置； 2、VG2设定终止值不要超过90V。 3、手动测试完毕后，尽快将VG2减为零。
差
E = eν
四、实验内容
测量氩原子的第一激发电位。
通过曲线，观察原子能量量子化情况， 证明原子能级的存在，并求出氩原子的第 一激发电位。
五、实验步骤：
实验二十三弗兰克赫兹实验报告
UKg2(V) 7.3 9.0 9.5 10.5 11.4 12.0 12.7 13.3 13.9 14.7 16.7 18.2 18.8 20.0 21.4 22.9 23.4 24.5 26.6 27.2 27.8 28.6 30.0 31.8 32.7 33.4 35.3 36.5
Uout(mV) 9.49 40.93 40.74 23.19 28.30 47.90 74.16 95.57 103.22 57.97 87.24 160.66 147.1 33.26 110.33 197.49 193.60 62.44 154.20 197.50 220.4 189.5 53.0 197.0 238.2 212.4 93.7 196.6
基础物理实验
实验二十三 弗兰克 -赫兹实验 弗兰克实验报告
பைடு நூலகம்
学院： 地球与空间科学学院 学院：地球与空间科学学院 1100012623 张晓晨 姓名： 姓名：1100012623 指导教师： 廖慧敏 时间： 2012 年 12 月 05 日
一、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。
UKg2(V) 37.1 38.1 39.5
Uout(mV) 236.2 245.9 89.2
UKg2(V) 37.3 38.2 40.0
Uout(mV) 244.1 236.0 93.2
UKg2(V) 37.6 38.5
Uout(mV) 252.8 213.0
UKg2(V) 37.7 38.8
Uout(mV) 252.5 170.5
UKg2(V) 37.9 39.2
Uout(mV) 252.3 119.6
7实验七 弗兰克-赫兹实验
实验七 弗兰克—赫兹实验1913年，丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)在卢瑟福原子核式模型的基础上，结合普朗克的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现象，成为原子物理学发展史上的一个重要里程碑。
在玻尔原子结构理论发表的第二年，弗兰克(J.Frank)和赫兹(G .Hertz) 在研究汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸气的电子流随电子能量呈现周期性的变化，同年又观察到汞光谱线253.7nm 的发射光谱。
1920年，弗兰克他们改进了装置，测得了汞原子的亚稳能级和较高的激发能级，进一步证明了原子内部量子化能级的存在，以及原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的，给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。
弗兰克和赫兹由于他们在实验上的卓越成就，共同获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
弗兰克—赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。
一、实验目的1．通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在，了解弗兰克和赫兹研究原子内部结构的基本思想和方法。
2．了解电子与原子碰撞和能量交换的微观图象以及影响这个过程的主要物理因素。
二、实验仪器FD-FH-1型弗兰克—赫兹仪、双踪示波器。
三、实验原理玻尔的原子模型指出：原子是由原子核和核外电子组成的。
原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。
对于不同的原子，在轨道上运动的电子分布各不相同。
在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量。
当一个原子内的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，该原子就处于一种受激状态。
如图35-l 所示，若轨道Ⅰ上为正常状态，则电子从轨道Ⅰ跃迁到轨道Ⅱ时，该原子处于第一激发态；若电子跃迁到轨道Ⅲ，原子处于第二激发态。
图中，E 1、E 2、E 3分别是与轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相对应的能量。
当原子状态改变时，伴随着能量的变化。
若原子从低能级E n 态跃迁到高能级E m 态，则原子需吸收一定的能量△Em n E E E ∆=- (35-1)图35-1原子结构示意图原子状态的改变通常有两种方法：一是原子吸收或放出电磁辐射；二是原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。
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.
弗兰克赫兹实验
由玻尔理论可知，处于基态的原子发 生状态改变时，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， 这个能量称为临界能量。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（电子不损失能量）；若电子 能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞 （电子把数值为△E= E2 - E1 的能量交给 氩原子，只保留余下的部分）；
hv E n E m
∞
En
其中h = 6.63×10ˉ J· s， 称为普朗克常数。 ν为频率，En、Em为两个 不同定态的能量
34
电 离
hv=En-Em
Em
E1第一激发态
E0基态
通常在两种情况下原子发生状态的改变。 一：原子本身吸收或放出电磁辐射； 二：原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。 本实验利用具有一定能量的电子与氩原子 发生碰撞而产生能量交换，实现氩原子状 态的改变。
弹性碰撞 ---- 波峰
非弹性碰撞---能量也增加， 到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc段）出
现第二个波峰。若eνG2>nE则电子在进入G2-A区
域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。板极电
流Ip随加速电压变化曲线就形成n个峰值，如图2
所示。相邻峰值之间的电压差V称为氩原子的第 一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级
图1弗兰克-赫兹实验原理图
在充氩的弗兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出并有 热阴极K和第二栅极G2 之间的加速电压 UG2 使电子加速。 在板极P和第二栅极 G2 之间加有反向拒斥电压 UP 用以 阻碍电子从栅极飞向阳极。当电子通过空间 KG2进入空间 G2P时，如果具有的能量较大（E1-E0>eUP），就能冲过反 向拒斥电场而达到阳极形成阳极电流，用微电流计测出。 如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把一部分能量传递给 氩原子使其激发，电子本身所剩余的能量就很小，以至通 过第二栅极后以不足克服拒斥电场而被斥回到第二栅极。 这时通过微电流计的电流就将明显减小。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告一、实验目的本实验旨在通过研究电子与原子的碰撞过程，测量汞原子的第一激发电位，从而验证原子能级的存在。
二、实验原理1、弗兰克赫兹实验原理图弗兰克赫兹实验的原理图如图 1 所示。
在充汞的玻璃管中，电子由热阴极 K 发出，在 K 和栅极 G 之间加上正向电压 UGK，形成加速电场，使电子加速。
在 G 和接收极 A 之间加反向电压 UGA，形成减速电场，只有能量足够大的电子才能克服这个电场到达A 极，形成电流。
2、电子与原子的碰撞当电子的能量小于汞原子的第一激发能时，电子与汞原子发生弹性碰撞，电子能量几乎不变。
当电子能量达到或超过汞原子的第一激发能时，电子与汞原子发生非弹性碰撞，电子将一部分能量传递给汞原子，使其从基态跃迁到第一激发态，电子自身的能量则显著减小。
3、电流电压特性曲线通过改变 UGK 的大小，测量相应的电流 IA，得到电流电压（IA UGK）特性曲线。
在曲线中，会出现一系列电流的峰值和谷值，相邻峰值或谷值之间的电压差即为汞原子的第一激发电位。
三、实验仪器弗兰克赫兹实验仪、示波器。
四、实验步骤1、仪器连接与预热将弗兰克赫兹实验仪与示波器正确连接，接通电源，预热约 30 分钟，使仪器工作稳定。
2、调整参数（1）调节灯丝电压 Uf，使阴极发射适量的电子。
（2）调节控制栅极电压 UG1K 和拒斥电压 UGA，使电流显示在合适的范围。
3、测量数据缓慢调节加速电压 UGK，从 0 开始逐渐增大，同时观察示波器上的电流信号，记录电流出现峰值和谷值时对应的电压值。
测量多个周期的数据。
4、数据处理根据记录的数据，绘制 IA UGK 特性曲线，通过分析曲线，确定汞原子的第一激发电位。
五、实验数据记录与处理1、实验数据记录表 1 实验数据记录表｜ UGK（V）｜ IA（μA）｜｜｜｜｜ 10 ｜ 02 ｜｜ 20 ｜ 05 ｜｜ 30 ｜ 10 ｜｜ 40 ｜ 20 ｜｜ 50 ｜ 35 ｜｜ 60 ｜ 50 ｜｜ 70 ｜ 65 ｜｜ 80 ｜ 80 ｜｜ 90 ｜ 95 ｜｜ 100 ｜ 110 ｜｜ 110 ｜ 125 ｜｜ 120 ｜ 140 ｜｜ 130 ｜ 155 ｜｜ 140 ｜ 170 ｜｜ 150 ｜ 185 ｜｜ 160 ｜ 200 ｜｜ 170 ｜ 215 ｜｜ 180 ｜ 230 ｜｜ 190 ｜ 245 ｜｜ 200 ｜ 260 ｜2、数据处理根据实验数据，绘制 IA UGK 特性曲线，如图 2 所示。
弗兰克赫兹(FranckHertz)实验
简单叠加
11.68eV
Ug = 12.45eV
13.21eV
简单叠加
14
系数1240
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。
UA上限电压设置接近90V，IP在表头指示接近50μA。 注2意021/：3/24关联调节灯丝电压DUr.FP、rof. 控W.N制.Pan栅g 电压UG和拒斥电压UR26。
2021/3/24
Dr. Prof. W.N.Pang
28
设置U A 90.0V
表显示满刻度 (50A)
实验注意事项
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。
2021/3/24
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
2021/3/24
Dr. Prof. W.N.Pang
2021/3/24
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
2021/3/24
Dr. Prof. W.N.Pang
31
五、实验报告及数据处理要求
实验报告要求
1)拒收电子版；
弗兰克赫兹实验
3、测量较高的激发电势
板极A
ＵＧ２Ａ
ＵＧ２Ｋ
ＵＧ１Ｋ
栅极G2 栅极G1 热阴极K
弗兰克-赫 兹管
改进后：弗兰克-赫兹实验装置图
Ee 4.9 eV 非弹性碰撞，电子几乎不损失能量
E2
4.9 eV
电子经过n 次加速和非弹性碰撞，
E1
能量全部损失，电流最小。
二、弗兰克－赫兹实验：（测定激发电势）
1、试验装置
热阴极K
K V
弗兰克-赫 兹管
板极A
Hg G A
K：热阴极，发射电子
KG区：电子加速，与Hg原 A 子碰撞
0.5 V 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
若电子在KG空间与原子碰撞，原子获得能量被激发， 电子能量减小以至达不到A
2、原子内部能量量子化证据：原子光谱分立性
电流突降的电压相差都是4.9V）
U n 4.9 V n 1, 2, 3, K
I 300
4.1 200
100
13.9 9.0
V
0
5
10
15
实际上,第一个零相差是4.1V, 仍因仪器上接触电势导致伏特计读 数减小所致.
4.9V为汞的第一激发 电势，它表示一个电子被加 速，经过与4.9V电压对应的 路径后获得4.9eV的能量。
汞的第一激发电势（KG间的电压）
此电子如与汞原子碰撞，则刚能把原子从低能级激发 到较高能级。若汞原子从这个激发态跃迁到最低能级，应 放出4.9eV的能量，这时可能发射的光的波长：
c
hc
h
6.6261034 3108 4.9 1.6 1019
0
2.5103 A
弗朗克-赫兹实验
实验一 夫兰克－赫兹实验1914年，弗兰克（J. Franck ）和赫兹（G. Herts ）在研究充汞放电管的气体放电现象时，发现穿过汞蒸气的电子流随电子的能量显现出周期性变化，同年又拍摄到汞发射光谱的253.7nm 谱线，并提出了原子中存在着“临界电位”。
后来，弗兰克等人改进了实验装置，测得了亚稳能级和较高的激发能级，进一步证实了原子内部能级是量子化的，从而确证了原子能级的存在，为早一年玻尔提出的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。
他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。
Ⅰ实验目的1. 本实验通过测定汞原子和氩原子的第一激发电位，证明原子中能级的存在；2. 了解弗兰克和赫兹实验研究原子内部能级量子化的基本思想和方法；3. 了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
Ⅱ 实验原理1. 原子能级按照玻尔理论，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。
原子在能级间跃迁时，要发射或吸收一定频率的光子。
原子与具有一定能量的电子发生碰撞时，吸收电子的能量，也可以从低能态跃迁到高能态。
弗兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞而实现这种跃迁的。
为实现原子从低能态E n 向高能态E m 的跃迁，若与之碰撞的电子是在电势差V 的加速下，速度从零增加到v ，则当电子的能量满足2n m mv 21eV E E E ==−= 时，电子将全部动能交换给原子。
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（或中肯电位）。
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。
处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态。
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 称为该原子的电离电位。
最容易用电子和原子碰撞的方法来观测能级跃迁的原子是Hg ，Ne ，Ar 等一些惰性气体。
实验七 弗兰克 赫兹实验
实验七弗兰克—赫兹实验1913年，丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)在卢瑟福原子核式模型的基础上，结合普朗克的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现象，成为原子物理学发展史上的一个重要里程碑。
在玻尔原子结构理论发表的第二年，弗兰克(J.Frank)和赫兹(G .Hertz)在研究汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸气的电子流随电子能量呈现周期性的变化，同年又观察到汞光谱线253.7nm 的发射光谱。
1920年，弗兰克他们改进了装置，测得了汞原子的亚稳能级和较高的激发能级，进一步证明了原子内部量子化能级的存在，以及原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的，给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。
弗兰克和赫兹由于他们在实验上的卓越成就，共同获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
弗兰克—赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。
一、实验目的1．通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在，了解弗兰克和赫兹研究原子内部结构的基本思想和方法。
2．了解电子与原子碰撞和能量交换的微观图象以及影响这个过程的主要物理因素。
二、实验仪器FD-FH-1型弗兰克—赫兹仪、双踪示波器。
三、实验原理玻尔的原子模型指出：原子是由原子核和核外电子组成的。
原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。
对于不同的原子，在轨道上运动的电子分布各不相同。
在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量。
当一个原子内的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，该原子就处于一种受激状态。
如图35-l 所示，若轨道Ⅰ上为正常状态，则电子从轨道Ⅰ跃迁到轨道Ⅱ时，该原子处于第一激发态；若电子跃迁到轨道Ⅲ，原子处于第二激发态。
图中，E 1、E 2、E 3分别是与轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相对应的能量。
当原子状态改变时，伴随着能量的变化。
若原子从低能级E n 态跃迁到高能级E m 态，则原子需吸收一定的能量△Em n E E E ∆=-(35-1)图35-1原子结构示意图原子状态的改变通常有两种方法：一是原子吸收或放出电磁辐射；二是原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。