夫兰克-赫兹实验(Ar管)
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。
弗兰克赫兹管实验报告
一、实验目的1. 了解弗兰克-赫兹实验的原理和方法。
2. 测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。
3. 深入理解量子化概念，加深对原子结构的认识。
二、实验原理弗兰克-赫兹实验是基于量子力学原理，通过测量电子与原子碰撞过程中的能量交换，验证原子能级的存在。
实验装置主要由弗兰克-赫兹管、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器等组成。
实验过程中，电子在阴极和第一栅极之间被加速，然后进入充满氩气的弗兰克-赫兹管。
在管内，电子与氩原子发生碰撞，能量交换导致电子和氩原子发生能级跃迁。
当电子能量等于氩原子第一激发能时，电子被完全阻止，此时电流急剧下降。
通过测量电流的变化，可以确定氩原子的第一激发电势。
三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹管：由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成，充有氩气。
2. 加热炉：用于保持弗兰克-赫兹管内氩气的饱和蒸气压。
3. 温控装置：用于控制加热炉的温度。
4. F-H管电源组：提供弗兰克-赫兹管各极所需的工作电压。
5. 扫描电源：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，作为弗兰克-赫兹管的加速电压。
6. 微电流放大器：用于检测弗兰克-赫兹管的输出电流。
7. 微机X-Y记录仪：用于记录实验数据。
四、实验步骤1. 将弗兰克-赫兹管置于加热炉内，调节加热炉温度，保持氩气的饱和蒸气压。
2. 接通电源，调节F-H管电源组，使阴极和第一栅极之间的电压为0V。
3. 调节扫描电源，使加速电压从0V开始逐渐增加，同时观察微电流放大器显示的输出电流。
4. 记录电流随加速电压的变化曲线，找出电流急剧下降的位置，即氩原子的第一激发电势。
五、实验结果与分析1. 实验数据及曲线通过实验，测得氩原子的第一激发电势约为15.8V。
根据实验数据，绘制了电流随加速电压的变化曲线，如图1所示。
图1 电流随加速电压的变化曲线2. 结果分析根据实验结果，当加速电压为15.8V时，电流急剧下降，说明电子能量与氩原子第一激发能相等，发生能级跃迁。
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。
弗兰克赫兹效应实验报告
一、实验目的1. 通过弗兰克-赫兹实验，了解并掌握原子能级的存在和量子化的概念。
2. 熟悉实验仪器和操作方法，提高实验技能。
3. 培养分析实验数据、处理实验结果的能力。
二、实验原理1. 原子能级与量子化根据量子理论，原子只能处在一系列不连续的能量状态，称为定态。
相应的定态能量称为能级。
原子的能量要发生变化，必须在两个定态之间以跃迁的方式进行。
当基态原子与带一定能量的电子发生碰撞时，可以使原子从基态跃迁到高能态。
2. 弗兰克-赫兹效应弗兰克-赫兹实验采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法，证实了原子能级的存在。
实验中，电子由阴极发出，经电压加速后趋向板极，途中与气体原子发生碰撞。
若电子能量足以克服减速电压，则能穿过栅极到达板极形成电流。
当电子与原子碰撞时，部分能量会传递给原子，使原子从基态跃迁到激发态或电离态。
实验结果表明，电子的能量与原子激发态之间的能量差是量子化的。
三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹实验仪2. 数字电压表3. 数字电流表4. 氩气瓶5. 阴极灯丝加热电源6. 磁铁四、实验步骤1. 连接实验仪器，调整实验装置。
2. 加热阴极灯丝，使电子发射。
3. 调节加速电压，使电子能量逐渐增加。
4. 观察并记录不同加速电压下的板极电流。
5. 分析实验数据，绘制电子能量与板极电流的关系曲线。
6. 根据实验数据，计算氩原子的第一激发能。
五、实验结果与分析1. 实验数据根据实验数据，绘制电子能量与板极电流的关系曲线，如图所示。
2. 结果分析从实验结果可以看出，当加速电压逐渐增加时，板极电流先增大后减小，形成一个峰值。
峰值对应的电压即为氩原子的第一激发电位。
实验结果与理论值基本相符，验证了原子能级的存在。
六、实验结论1. 通过弗兰克-赫兹实验，验证了原子能级的存在，加深了对量子化概念的认识。
2. 实验结果表明，氩原子的第一激发电位为16.5V，与理论值基本相符。
3. 实验过程中，注意了实验仪器的正确使用和实验数据的准确记录，提高了实验技能。
实验二十三弗兰克赫兹实验报告
减速电压 U g 2 p 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， 因此减速电压 U g 2 p 越高，输出电压 U out 越小，相应的微电流放大器中的电流就减小。
U Kg 2 的周期性来源于电子与气体原子之间的碰撞，并反映了电流的周期性。
电压从零开始增加时，电子动能增加，射向阳极的电子数增加，此时电子与汞原 子之间有弹性碰撞，电子并不损失能量，因此电流随电压增长。 当电压超过 4.9V（以汞管为例）时，电流突然下降，说明电子与汞原子发生了非 弹性碰撞，电子把能量全部传递给了汞原子，使汞原子从基态跃迁到激发态。而电子 因损失了动能而不能克服反向电压 U g 2 p 的阻滞到达阳极，因而 U Kg 2 下降。
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
二、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（电流范围 10 −7 A ） ，电炉及控温仪，数字万 用表（四位半式）
三、实验原理
图 23-1 弗兰克-赫兹实验原理图
实验原理图如图 23-1 所示。 图中采用的 F-H 管，管内充有汞、氩等原子态气体。 管中灯丝 F 和阴极 K 分离。灯丝加热后使阴极 K 发射电子。控制灯丝电压 U F 可 改变灯丝的温度，从而控制发射电子的数量。 第一栅极 g1 的电位略高于阴极 K 的电位， 用于消除发射出的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 g 2 与阴极 K 之间加一可变正电压，它使电子获得能量，加速在管内与原 子发生碰撞。
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。
弗兰克赫兹实验实验报告
[实验内容]
1、如果采用 Hg 管，将炉温设置为 180℃；如果采用 Ar 管，则 不必加热。 2、连接电路。 3、将各个电源的输出调至最小；扫描电源选择“手动”。根据 实验室提供的参考数据，设置微电流放大器的量程，极性选“－”， 用数字式电压表测量 Uout。 4、根据实验室提供的参考数据，分别设置好 UF、UKg1、Ug2p， 预热 3~5min。 5、缓慢调节“手动调节”电位器，增大加速电压；并注意观察 微电流计指示，可观察到峰谷信号。 6、调节各参量，测量 Uout-UKg2 曲线。 7、作图，测出各峰值扫描电压值，用最小二乘法计算第一激发 电位及其标准差。 8、改变减速电压 Ug2p 对实验有何影响，并用实验验证。
2、粗侧
峰序号 峰位置/V 1.0 16-17 2.0 27-29 3 39-41 4 50-52 5 63-65 6 76-78
3、精测
UKG2/V Uout/mV UKG2/V Uout/mV UKG2/V Uout/mV UKG2/V Uout/mV UKG2/V 0.0 -7.3 11.1 16.2 16.0 56.7 20.0 15.9 25.6 2.0 -7.3 12.0 31.2 16.5 58.1 21.0 2.1 26.1 5.0 -7.3 13.0 46.8 17.1 57.1 22.1 -4.0 26.6 7.0 -7.3 14.0 61.1 17.5 53.8 23.0 5.6 27.0 8.0 -5.9 14.5 57.9 18.0 49.6 24.0 41.4 27.5 9.0 -5.5 15.0 46.4 18.6 40.2 24.5 60.4 28.0 10.0 2.0 15.5 53.9 19.1 33.1 25.3 77.6 28.5
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(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(Franck-Hertz)实验---精品资料
院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院
士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。
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
物 理 图 像
电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子 3/13/2019 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
3/13/2019 Dr. Prof. W.N.Pang 11
两条共振态 寿命 10 s
8
J=1,相对谱线强度1000，能级11.83 eV J=1,相对谱线强度 500，能级11.63 eV
两条亚稳态 寿命 10 s
3
J=0,相对谱线强度 600，能级11.72 eV J=2,相对谱线强度 300，能级11.55 eV
定时，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，
从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们
获得了1925年的诺贝尔物理奖。
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。
3/13/2019
庞文宁 报告箱号：J11 pangwn@
X-37空天飞机
弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
3/13/2019 Dr. Prof. W.N.Pang
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弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
一、弗兰克-赫兹实验的实验方法
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。
夫兰克-赫兹实验(Ar管)
夫兰克——赫兹实验1913年玻尔模型提出后，成功地解释了氢光谱，从而解开了近三十年之久的巴尔末公式之谜，以及对类氢离子光谱的成功解释。
当这一消息传到爱因斯坦那里时，他也心悦城服并称玻尔的理论是一个“伟大的发现”。
但任何一个重要的物理模型要上升为理论必须得到两种独立的实验方法的验证。
夫兰克和赫兹在玻尔理论发表后不久，就用了一种独立于光谱研究的方法直接验证了玻尔理论，正是这个实验使我们感受到了原子内部这个迄今为止人类无法看到的美妙世界的跃动。
1925年夫兰克和赫兹共同分享了诺贝尔物理学奖。
通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，学习和体验夫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实验思想和实验方法。
【实验目的】1、了解夫兰克——赫兹实验的原理和方法。
2、测定氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在，研究原子内部能量的量子化。
【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：012e 1E E v m 21eV -== 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）。
本次实验测定氩原子的第一激发能,其标准值约为11.4eV ，因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值。
于四极式的F-H 碰撞管，实验线路连接如图（1）所示。
图中：V F 为灯丝加热电压，V G1K 为正向小电压，V G2K 为加速电压，V G2P 为减速电压。
F-H 管中的电位分布如图（2）所示。
图（2）电子由阴极发出经电场V G2K 加速趋向阳极，只要电子能量达到克服减速电场V G2P 就能穿过栅极G 2到达板极P 形成电子流I P 。
由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原子发生碰撞。
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克-赫兹实验是一种实验证明了原子存在能级结构的方法。
实验装置是由一个玻璃管组成，管中充满了一定压强的稀有气体，例如氖或汞。
管内有两个金属电极，它们之间的距离可以调整。
一个电极通过电源提供连续可调的电压，而另一个电极则与一个电流计连接。
在实验中，当电场强度较小时，电子在气体原子与离子之间碰撞并散射，电流计的读数较低。
然而，当电场强度逐渐增大，电子能量足以克服碰撞散射并在离子之间穿越管中距离，电流计的读数会急剧增加。
这是因为电子在穿过管中时与离子碰撞，使电子失去了能量。
离子通过电子捕获过程重新获得能量，使得电子能够再次穿越管中。
实验结果显示，电流计的读数在不同电压下会出现多个峰值，这些峰值对应着不同电子能量所产生的现象。
这证明了稀有气体中存在能级结构，每个能级之间相差特定的能量。
通过测量峰值之间的电压差，可以确定离子能级的能量差。
这个实验对量子力学的发展起到了重要作用，奠定了原子物理学的基础。
它不仅证实了能级结构的存在，也为后续关于原子结构的研究提供了理论依据。
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，下面是小编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。
实验二--弗兰克-赫兹实验
云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验实验项目：实验二弗兰克-赫兹实验学生姓名：马晓娇学号：20131050137 物理科学技术学院物理系 2013 级天文菁英班专业指导老师：张远宪试验时间：2015 年11月 20 日 13 时 00 分至 15 时 00 分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学 (演示□验证□综合□设计□) 学生科研□课外开放□测试□其它□一、实验目的1. 了解弗兰克—赫兹实验的原理和方法，测定汞的第一激发电位，验证原子能级的存在；2. 练习使用微机控制的实验数据采集处理系统；二、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l所示，若轨道上为正常状态，则电子从轨道Ⅰ跃迁到轨道Ⅱ时，该原子处于第一激发态；电子跃迁到轨道Ⅲ，原子处于第二激发态。
图中，E1、E2、E3分别是与轨道l、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En态跃迁到高能级Em态，则原子需吸收一定的能量△E：V(1)E Em En=-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。
本实验利用慢电子与氩原子相碰撞，使氩原子从正常状态跃迁到第一激发态，从而证实原子能级的存在。
由玻尔理论可知，处于正常状态的原子发生状态改变时，所需能量不能小于该原子从正常状态跃迁到第一激发态所需的能量，这个能量称临界能量。
当电子与原子相碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则电子与原子之间发生弹性碰撞，电子的能量几乎不损失。
如果电子的能量大于临界能量，则电子与原子发生非弹性碰撞，电子把能量传递给原子，所传递的能量值恰好等于原子两个状态间的能量差，而其余的能量仍由电子保留。
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3 夫兰克——赫兹实验
1913年玻尔模型提出后，成功地解释了氢光谱，从而解开了近三十年之久的巴尔末公式之谜，以及对类氢离子光谱的成功解释。
当这一消息传到爱因斯坦那里时，他也心悦城服并称玻尔的理论是一个“伟大的发现”。
但任何一个重要的物理模型要上升为理论必须得到两种独立的实验方法的验证。
夫兰克和赫兹在玻尔理论发表后不久，就用了一种独立于光谱研究的方法直接验证了玻尔理论，正是这个实验使我们感受到了原子内部这个迄今为止人类无法看到的美妙世界的跃动。
1925年夫兰克和赫兹共同分享了诺贝尔物理学奖。
通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，学习和体验夫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实验思想和实验方法。
【实验目的】
1、了解夫兰克——赫兹实验的原理和方法。
2、测定氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在，研究原子内部能量的量子化。
【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：
012e 1E E v m 2
1eV -== 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）。
本次实验测定氩原子的第一激发能,其标准值约为11.4eV ，
因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值。
于四极式的F-H 碰撞
管，实验线路连接如图（1）所示。
图中：V F 为灯丝加热电压，V G1K 为正向小电压，V G2K 为加速电压，
V G2P 为减速电压。
F-H 管中的电位分布如图（2）所示。
图（2）电子由阴极发出经电场V G2K 加速趋向阳极，只要
电子能量达到克服减速电场V G2P 就能穿过栅极G 2到达板极P 形
成电子流I P 。
由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原
子发生碰撞。
如果，电子能量小于第激发能eV 1，它们之间的
碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒定理不
难推出电子损失的能量极小，电子能如期地到达阳极；如果电
子能量达到或超过eV 1,电子与原子将发生非弹性碰撞，电子把
能量eV 1传给气体原子，要是非弹性碰撞发生在G 2栅极附近，
损失了能量的电子将无法克服减速场V G2P 到达板极。
这样，从阴极发出的电子随着V G2K 从零开始增加板极上将有电流出现并增加，如果加速到G 2栅极的电图（1） 图（2）
3 子获得等于或大于eV 1的能量将出现非弹性碰撞而出现I P 的第一次下降，随着V G2K 增加，电子与原子发生非弹性碰撞的区域向阴极方向移动，经碰撞损失能量的电子在趋向阳极的路途中又得到加速而开始有足够的能量克服V G2P 减速电压到达板极形成电流。
I P 随V G2K 增加又开始增加，而如果V G2K 的增加使那些经历过非弹性碰撞的电子能量又达到eV 1则电子又将与原子发生非弹性碰撞造成I P 的又一次下降。
在V G2K 较高的情况下，电子在趋向阳极的路途中将与原子发生多次非弹性碰撞。
每当V G2K 造成的最后一次非弹性碰撞区落在G 2栅极附近就会使I P ～V
G2K 曲线出现下降，如此反复将出现如图（3）的曲线
图 （3） 图（3）曲线的极大极小出现呈现明显的规律性，它是能量选择性吸收的结果，也是原子能量量子化的体现，就图（3）的规律来说，每相邻极大或极小值之间的电位差为第一激发电势（位）。
【实验内容】
Ar 原子第一激发电位的测量。
实验测定夫兰克—赫兹实验管的I P ～V G2K 曲线，观察原子能量量子化情况，并由此求出Ar 充气管中原子的第一激发电位
1、按图四连接电路
2、加热控温部分
充氩F-H 管不需要加热。
3、其它部分
图（4）
实验仪器的整体连线可见图（4）（适合于第一激发电位的测量）
（1）接线时暂不接通两台仪器电源。
（2）将电源部分的“V F ”调节电位器、扫描电源部分的“手动调节” 电位器旋到最小（逆时针方向）；扫描选择置“手动”挡；极性选择置（－）挡；微电流放大器量程对充氩管可置10-7或10-8A 挡。
（3）据提供的F-H 管参考工作电压数据，分别调节好
V F ，V G1k 、V G2p ，预热3分钟（要求记录这
些工作电压）。
（4）手动工作方式粗测：缓慢调节“手动调节”电位器，增大加速电压；并注意观察微电流放大器指示，在电流表上应可观察到峰谷信号。
a)手动工作方式测量数据：缓慢调节“手动调节”电位器；加速电压每增加1V或2V，记录一次电流值。
加速电压对充氩管最大增加到70V为止。
b) 对充汞氩管,加速电压达到60—70V时,约有5个峰出现。
四、【注意事项】
（1）在测量过程中，当加速电压加到较大时，若发现电流表突然大幅度量程过载，应立即将加速电压减小到零，然后检查灯丝电压是否偏大，或适当减小电压（每次减小0.1V－0.2V为宜）。
再进行一次全过程测量。
若在全过程测量中，电流表指示偏小，可适当增大灯丝电压（每次增大0.1V－0.2V为宜）。
（2）F-H管采用间热式阴极，改变灯丝电压后会有1分钟左右的滞后。
五、数据处理
（1）在计算机上进行数据处理，做出I p—V G2K曲线。
（2）求出氩的第一激发电势，并分析误差（相对误差）。
3。