北航物理实验—弗兰克赫兹研究性实验报告
北京大学物理实验报告：弗兰克-赫兹实验(docx版)
弗兰克-赫兹实验【实验目的】(1) 了解弗兰克-赫兹实验用伏-安证明原子存在能级的原理和方法(2) 学习用伏-安法测量非线性器件(3) 学习微电流的测量【仪器用具】仪器名参数F-H-II 弗兰克赫兹实验仪∅F-H-II 弗兰克赫兹实验仪微电流放大器10−7档F-H-II 弗兰克赫兹实验仪电源组V F 0~5V2.5级V G1K 0~5V 2.5级V G2P 0~15V2.5级Victor VC9806+数字万用表200 mV档±(0.5%+4)【实验原理】(1)原子的受激辐射玻尔的氢原理理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态）。
这些定态的能量（称为能级）是不连续分布的，其中能级最低的状态称为基态。
原子在两个定态之间发生跃迁时，要吸收或发射一定的能量，该能量等于两个定态之间的能量差ΔE mn=E m−E n原子在能级之间的跃迁可以通过有一定能量的电子与原子碰撞交换能量来实现。
初速度为零的电子经过电势差U0加速获得能量eU0，当这些电子与稀薄气体（例如汞）发生碰撞，就会发生能量交换。
当电子能量满足eU0=ΔE mn便会使得原子从E n被激发到E m，电子能量被吸收。
(2)弗兰克-赫兹实验图 1 弗兰克-赫兹装置示意图图1是弗兰克-赫兹实验装置示意图。
图中左侧为弗兰克-赫兹管（F-H管），它是一种密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量较大的汞或惰性气体原子。
在这里灯丝用来对阴极K加热，使其发射热电子。
灯丝电压U F越高，阴极K发射的电子流也就越大。
第一栅极G1的主要作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。
第二栅极G2的作用是在G2和K之间形成对电子加速的静电场。
发射的电子穿过栅极G2达到极板P，形成板流I P。
板流I P的大小由微电流测试仪进行测量。
在板极P 和G2之间加有一反向电压，它对电子减速，使经过碰撞后动能非常低的电子折回。
由热阴极发射的电子初速度为零，受加速电场V G2K作用，V G2K较低时，电子能量小于原子的激发能，电子与汞原子只能发生弹性碰撞。
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。
弗兰克-赫兹实验报告12页
弗兰克-赫兹实验报告12页一、实验简介弗兰克-赫兹实验是用于研究原子中的电子能级的实验，由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年首次进行。
该实验基于能量量子化的概念，对气体中电子的能级结构进行了实验研究。
实验中使用汞气作为气体样品，并观察了在逐渐递增的电压下电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射现象。
本实验在原子物理学以及量子力学发展历史上具有里程碑的意义。
二、实验原理1.能量量子化在原子中，电子所拥有的能量和它的运动状态是量子化的，因此它们只存在于特定的能量状态中。
这些能量状态被称为能级，其能量可以通过光子吸收和辐射来进行变化。
2.汞原子的能级汞原子是大型原子，其中包含80个电子，因此具有复杂的能级结构。
常见的汞原子能级包括原子的基态以及第一、第二、第三激发态等。
在本实验中，我们将重点关注第一激发态，其能量为4.9电子伏。
3.散射现象在电子经过汞原子时，它们将与原子中的电子进行散射，影响它们的移动方向和能量。
通过观察不同电压下电子在汞蒸汽中的散射情况，可以研究电子在汞原子中的散射过程以及不同能级的存在情况。
三、实验步骤1.设备调试首先对设备进行调试，检查电源、电压计、放大器等设备是否正常运行。
2.样品处理使用灯丝对汞样品进行加热，使其升华产生汞性气体。
3.电子管与样品接触将电子管的阳极与汞样品接触，使电子通过样品并进行散射。
4.电压递增逐渐递增电压，观察电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射情况。
5.测量数据通过放大器和电压计来测量电压和电流等数据，记录不同电压下电流和电压之间的关系。
四、数据分析通过测量数据可以得到不同电压下汞蒸汽中散射电子的动能，进一步可以得知电子在不同能级中的能量情况。
例如，在电压为10伏的情况下，当电流增大时，证明散射电子的动能增加，这表明电子已经达到第一激发态能级。
当电压增加到50伏时，电流在急剧减小，这表明散射电子已经失去了能够到达下一个能级所需的能量。
从而可以推断出汞原子存在第一激发态能级。
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
弗兰克赫兹实验实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告弗兰克赫兹实验实验报告引言：弗兰克赫兹实验是物理学领域的一项重要实验，它的发现为我们理解原子结构和量子力学奠定了基础。
本实验通过对气体放电管中电子的运动进行观察和测量，揭示了原子的离散能级和电子的波粒二象性。
本报告将详细介绍弗兰克赫兹实验的原理、实验装置、实验过程以及实验结果的分析与讨论。
一、实验原理弗兰克赫兹实验基于气体放电现象，利用电子在气体原子中的碰撞过程来研究原子的能级结构。
当气体放电管中加入一定电压时，电子会加速运动并与气体原子碰撞，从而使原子电离或激发。
当电子经过加速后，其动能增加，能够克服原子的束缚力，使原子电离。
而当电子能量不够大时，电子与原子的碰撞只能使原子激发到较低能级。
通过测量电子在气体放电管中的运动特性，可以得到气体原子的能级结构。
二、实验装置弗兰克赫兹实验的装置主要包括气体放电管、电源、测量仪器等。
气体放电管是实验的关键部分，它通常由两个电极构成，其中一个是阴极，用于发射电子；另一个是阳极，用于收集电子。
气体放电管内充满了待测气体，如氩气、氖气等。
电源提供所需的电压，通常为几百伏至几千伏。
测量仪器包括电压表、电流表、光电子倍增管等，用于测量电压、电流以及光电子的能量。
三、实验过程1. 装置调试：首先进行装置的调试，确保电源和测量仪器正常工作。
调整电源的电压和电流，使其达到实验要求。
2. 观察放电现象：打开电源，观察气体放电管中的放电现象。
当电压升高时，放电管中会出现不同颜色的光芒，这是因为气体原子的激发和电离过程。
3. 测量电流：通过连接电流表，测量电流的大小。
随着电压的增加，电流也会相应增加。
当电压达到一定值时，电流会急剧增加，这是因为电子能量足够大，可以克服原子的束缚力，使原子电离。
4. 测量电压：使用电压表测量电源的输出电压，记录下不同电压下的电流值。
5. 测量光电子能量：通过连接光电子倍增管，测量光电子的能量。
光电子是由气体原子激发或电离后发射出来的电子，其能量可通过光电子倍增管进行测量。
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 实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告弗兰克赫兹实验是20世纪初为了研究原子结构而开展的经典实验之一，也是量子力学发展史上的重要里程碑之一。
本文将对该实验的原理、实验装置、实验过程及结果进行介绍并进行简要的讨论。
一、实验原理弗兰克赫兹实验主要基于静电击穿现象的基础上进行。
在一个低压气体管内，将两个电极分别放在管的两端，使得电子能够从负极经过气体管向另一端正极方向运动。
当电子运动的速度达到一定的程度时，可以与气体原子相撞，使气体原子激发成为离子或激发态。
当电子经过气体管内的一个区域时，便可以观察到该区域的荧光现象。
二、实验装置弗兰克赫兹实验的实验装置主要由一个玻璃管组成，管中充满了低压气体。
实验中通过气体管两端的电极和外部高压电源构成电路，使电子可以在管内自由运动。
三、实验过程在实验进行时，首先将气体管中的气体抽成非常低的压强，然后通过高压电源，在管的两端分别加上负极和正极电压，使得气体管内形成一个电场。
当电压达到一定程度时，电子可以克服气体原子的束缚，在电场作用下自由运动。
当一些电子与气体原子碰撞时，气体原子可能会发生激发或电离，然后通过复合释放荧光。
荧光以波长分布明显的分界线出现（即发生荧光的气体种类不同，发射的光谱线也不同）。
通过测量压强与电场强度等参数，可以得到不同气体在不同电场强度下的谱线变化情况。
四、实验结果通过弗兰克赫兹实验的实验数据可以得出结论：（1）气体原子处于激发态不能较长时间复合释放，而处于离子状态的气体原子则不同。
（2）获得荧光的气体原子数与电子数不成正比，而且气体压强不能过高。
（3）通过不同气体在不同电场下的光谱线，证明了气体原子的能级结构。
五、实验讨论弗兰克赫兹实验是20世纪初的一个经典实验，尽管它不能很好地解释电子轨道等量子力学的本质，但它在理论形成的历程上起到了重要作用。
通过实验结果可以证明气体原子的能级结构，而这个结果也间接验证了量子力学理论的正确性。
而通过不同气体在不同电场下的发光谱线变化的规律性，也为后来分子谱学的研究奠定了基础性的实验基础。
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汞原子的第一激发电位，加深对原子能级概念的理解，以及了解弗兰克赫兹实验的基本原理和实验方法。
二、实验原理1、原子能级根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态，这些状态称为能级。
原子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射一定频率的光子，其能量等于两个能级的能量差。
2、弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验是通过让电子与原子碰撞来研究原子能级的一种方法。
在实验中，电子在加速电场中获得能量，然后与气体原子发生碰撞。
如果电子的能量小于原子的第一激发能，那么电子与原子之间的碰撞是弹性碰撞，电子的能量几乎不变。
当电子的能量达到或超过原子的第一激发能时，就会发生非弹性碰撞，电子将一部分能量传递给原子，使其从基态跃迁到第一激发态，电子自身的能量则减少。
通过测量电子在不同加速电压下的电流，可以得到电子与原子碰撞的能量转移情况，从而确定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、连接实验仪器将弗兰克赫兹实验仪与示波器正确连接，确保线路连接稳定。
2、预热仪器打开实验仪器电源，进行预热，使仪器达到稳定工作状态。
3、调节参数设置加速电压的起始值、终止值和步长等参数。
4、进行测量逐步增加加速电压，同时观察示波器上显示的电流信号，记录相应的电压和电流值。
5、重复测量为了提高测量的准确性，进行多次重复测量。
五、实验数据及处理1、实验数据记录以下是一组典型的实验数据：｜加速电压（V）｜电流（μA）｜｜｜｜｜ 10 ｜ 05 ｜｜ 20 ｜ 10 ｜｜ 30 ｜ 15 ｜｜ 40 ｜ 20 ｜｜ 50 ｜ 25 ｜｜ 60 ｜ 30 ｜｜ 70 ｜ 35 ｜｜ 80 ｜ 40 ｜｜ 90 ｜ 45 ｜｜ 100 ｜ 50 ｜2、数据处理以加速电压为横坐标，电流为纵坐标，绘制出电流电压曲线。
通过对曲线的分析，可以发现电流在某些电压值处出现明显的下降，这些下降点对应的电压值即为汞原子的第一激发电位。
弗兰克赫兹在_实验报告
一、实验目的1. 测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，从而加深对量子化概念的认识。
2. 加深对热电子发射的理解，学习将电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。
二、实验原理1. 原子能级与量子化概念根据玻尔原子理论，原子中的电子只能处于特定的能级上，不能处于能级之间的任意状态。
当电子从低能级跃迁到高能级时，需要吸收一定的能量，这个能量称为激发能量。
而当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出与能量差相对应的电磁波。
这种能量交换的过程满足量子化条件，即能量交换是量子化的。
2. 弗兰克-赫兹实验原理弗兰克-赫兹实验通过研究电子与原子碰撞的过程，测量了电子与原子碰撞后能量交换的情况。
实验中，电子在电场中被加速，然后与稀薄气体中的原子发生碰撞。
根据能量守恒定律，碰撞前后电子与原子的总能量应保持不变。
当电子与原子碰撞时，电子将部分能量转移给原子，使原子从低能级跃迁到高能级。
此时，电子的动能减小，而原子的能量增加。
当电子的动能等于或大于原子的激发能量时，原子被激发，发生能级跃迁。
三、实验装置与步骤1. 实验装置实验装置主要包括弗兰克-赫兹管、电源、示波器、电压表、电流表等。
弗兰克-赫兹管是一个真空玻璃管，其中放置有稀薄气体（如氩气）和两个电极。
一个电极作为阴极，另一个电极作为阳极。
通过调节电源，可以改变电子在电场中的加速电压。
2. 实验步骤（1）将弗兰克-赫兹管抽成真空，并充入一定压力的氩气。
（2）接通电源，调节加速电压，使电子在电场中被加速。
（3）通过示波器观察电子与原子碰撞后的能量交换情况，记录电流与电压的关系。
（4）改变加速电压，重复实验，观察电流与电压的关系变化。
四、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，我们得到了一系列电流与电压的关系曲线。
在电压较低时，电流随着电压的增加而增加。
当电压达到某一值时，电流不再随电压增加而增加，这个电压值称为激发电压。
激发电压对应于原子的第一激发能级。
弗兰克-赫兹实验实验报告
弗兰克-赫兹实验一 实验目的通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。
二 实验原理 1 激发电势 玻尔的原子能级理论（1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。
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了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足n m E E hv -= （1）原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。
设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为eU ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E 1带表汞原子的基态能量，E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为120E E eU -= （2）时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。
相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。
夫兰克-核子实验原理如图1示。
U GK /VI A /nA图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的I A -U GK 曲线在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出，阴极K 和栅极G 之间的加速电压U GK 供电子加速。
在板极A 和栅极G 之间加有拒斥电压U AG 。
管子空间电位分布如图2示。
当电子通过KG 空间进入GA 空间时，如果有较大的能量（≥eU AG ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA 检测出。
如果电子在KG 空间与汞原子碰撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。
这时，通过微电流计的电流将显著的减小。
实验时，观察电流计的电流随U GK 逐渐增加时的现象。
如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的I A -U GK 曲线。
弗兰克赫兹实验实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告
实验名称：弗兰克赫兹实验
实验目的：通过研究气体的导电特性，探究众多气体的带电粒子性质等规律。
实验器材：真空管，放电极，荧光屏，高压电源，振荡器等。
实验原理：弗兰克赫兹实验利用了电离气体与电场、荧光屏的相互作用，其中，荧光屏的作用是显示电子活动的位置。
通过在气体中建立电场，在真空中产生气体的离子化（电离），并测定带电粒子与电场作用下的方向、速度、轨迹等特征，可以推测出气体离子（电离）性质以及离子与电场的相互作用规律。
实验过程：利用真空管将空气抽空，给电极加高压电信号，使气体电离，产生气体放电现象。
接下来，让离子穿过两个极板的电场区域，在荧光屏上观察带电粒子离子与电场作用后的荧光显示。
通过改变气体类型和气体压力等实验条件，观察荧光屏上的显示差异，实验数据测定。
实验结果：弗兰克赫兹实验得出气体的导电机制与性质、电子的分布密度、电场对电子的俘获等规律等，该实验也为粒子物理学、原子物理学研究提供了启示。
结论：弗兰克赫兹实验提供了重要的原理和实验数据，描述了气体电离、电子漂移、荧光及偏極化等现象，对于研究原子物理学、粒子物理学等领域具有重要意义。
实验小结：通过本次实验，我深刻地体会到了科学实验的重要性，同时也更加明确了物理学研究的意义和方向。
希望在今后的学习中，能够更深地认识该领域的知识和相关实验，为我国科学技术的发展贡献自己的力量。
北航弗兰克赫兹实验研究性实验报告
三、
实验仪器：FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪，示波器，导线若干。
四、
1．准备工作
①按照下图所示，连接好各组工作电源线，仔细检查，确定无误。连接示波器，以直观观察IA-UG2K的波形变化情况
②打开电源，将实验仪预热20～30分钟。
2．氩元素的第一激发电位手动测量
①设置仪器为“手动”工作状态，按“手动/自动”键，“手动”指示灯亮。
计算氩的第一激发电位
22.0
32.0
43.0
54.0
65.5
78.0
0.136
0.266
0.412
0.557
0.784
1.175
逐差法：
V
不确定度：
最终表达式为：
相对误差:
结果分析：
由以上两个实验数据对比可以看到，从0V—82V正向调节电压和从82V—0V反向调节电压测得的各电压对应的 值相差很大，而电流对应的的六个峰值电压相差不大，计算得到的 值是一样的。
基础物理研究性实验报告
弗兰克赫兹实验
第一作者：马梦弟（11041065）
第二作者：张海阔（11041069）
所在院系：能源与动力工程学院
2013年5月22日
摘要：
本研究性报告以“弗兰克赫兹实验”实验为深入研究探讨的课题，简单介绍弗兰克赫兹实验的基本原理以及操作步骤等，重点进行改变某个实验步骤后实验的误差分析，从而进一步了解在实验过程中严格控制实验步骤的正确性对实验结果的重要性，对今后误差分析有一定的作用。
参考文献：
【1】.李朝荣徐平唐芳王慕冰基础物理实验（修订版）北京航空航天大学出版社，2010年9月
附：
原始实验数据（部分）
研究性报告实验数据
夫兰克-赫兹实验报告
夫兰克-赫兹实验一．实验简介1914年弗兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)用电子碰撞原子的方法，观察测量到了汞的激发电位和电离电位（即著名的Frank-Hertz实验）。
从而证明了原子等级的存在，为早一年玻尔发表的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。
为此他们分享了1925年诺贝尔物理学奖金。
他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。
本实验应用Frank-Hertz实验方法实现电子气和Hg原子的碰撞，以观察Hg 原子能级跃迁并对Hg原子第一激发电位进行测量。
通过本实验可以深刻理解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法，了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
二．实验原理1. 电子与气态Hg原子的碰撞利用电子和气态Hg原子的碰撞时最容易实现Frank-Hertz实验的方法。
为实现原子从低能级En 向高能级Em的跃迁，通常可以通过吸收确定频率γ的光子来实现。
而光子的能量等于两个能级之间的量差，即时，原子吸收全部光子能量，发生能级跃迁，式中h为普朗克常量。
也可以通过使具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。
若与之碰撞的电子式在电势差V的加速下，速度从零加到v,则当电子的能量满足时，电子将全部能量交换给你原子。
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（或中肯电子）。
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。
出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级。
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 称为原子的电离电位。
其中61S 0（0ev ）为基态，63P 1（4.9ev ）为激发态，63P 0（4.7ev ）、63P 2（5.47ev ）为亚稳态。
当能量等于63P 0，63P 1和63P 2与基态61S 0之间的能量差，即当能量为4.7 eV ，4.9 eV 和5.47 eV 的电子与Hg 原子碰撞时，将有最大的激发概率实现能级间跃迁。
弗兰克赫兹实验实验报告
一、实验目的1. 测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。
2. 加深对量子化概念的理解。
3. 掌握原子碰撞激发和测量的方法。
二、实验原理弗兰克-赫兹实验基于玻尔的原子能级理论。
根据该理论，原子只能长时间地停留在一些稳定的能级上，称为定态能级。
当电子从低能级跃迁到高能级时，需要吸收一定的能量，这个能量等于两能级之间的能量差。
通过实验测量电子与原子碰撞时能量的交换情况，可以证明原子能级的存在。
实验中，我们采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法。
实验装置包括弗兰克-赫兹管、加热炉、温控装置、电源组、扫描电源和微电流放大器等。
三、实验步骤1. 将弗兰克-赫兹管置于加热炉中，调节炉温至实验要求。
2. 调节灯丝电压、第一栅极电压和第二栅极电压，使管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压。
3. 打开电源，调节扫描电源，使电子在加速电压作用下获得足够的能量。
4. 逐渐增加加速电压，观察输出电流的变化。
5. 记录输出电流与加速电压的关系，分析实验数据。
四、实验结果与分析实验结果显示，当加速电压逐渐增加时，输出电流也随之增加。
当加速电压达到一定值时，输出电流突然减小，并保持不变。
这说明电子与汞原子发生了碰撞，将能量传递给汞原子，使其从低能级跃迁到高能级。
这个能量等于两能级之间的能量差，即第一激发电势。
根据实验数据，我们计算得出氩原子的第一激发电势约为16.5V。
这与理论值相符，证明了原子能级的存在。
五、实验结论1. 通过弗兰克-赫兹实验，我们验证了原子能级的存在，加深了对量子化概念的理解。
2. 实验结果表明，原子能级是分立的，电子与原子碰撞时能量交换是量子化的。
3. 弗兰克-赫兹实验是研究原子内部结构的重要手段，对于近代物理学的发展具有重要意义。
六、实验体会通过本次实验，我深刻体会到以下两点：1. 实验是验证理论的重要手段。
在实验过程中，我们需要仔细观察实验现象，分析实验数据，从而得出结论。
2. 实验过程中，我们需要严谨、细致，以确保实验结果的准确性。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告弗兰克-赫兹实验一．实验目的测量F-H 管传统情况下加速电压与板极电流的关系曲线。
二．实验原理 1.激发电势(1)玻尔的原子理论原子只能较长地停留在定态，原子在这些状态时，不发射也不吸收能量。
各定态有一定的能量，其数值是彼此分割的。
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。
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m E 和n E 分别表示有关两定态的能量，辐射的频率ν决定如下关系：nm E E h -=ν式中，h 为普朗克常量，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。
（2）设初速度为零的电子在电势差为0U 的加速电场作用下，获得能量0eU ，当具有这种能量的汞电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量交换。
如以1E 代表汞原子的基态能量，2E 代表汞原子的第一激发态能量，那么当汞原子吸收从电子传递来的能量恰为021eU E E =- （1）汞原子就会从基态跃迁到第一激发态，相应的电势差称为汞的第一激发电势。
测定出这个电势差0U ，就可以根据公式（1）求出汞原子的基态和第一激发态之间的能量差了。
2.弗兰克-赫兹管K5BKGP]BYN.png" \* MERGEFORMATINET K5BKGP]BYN.png" \* MERGEFORMATINET图一： 21G G 短接， 21G G 为等势区，电子由热阴极发出，经加速电压KG U 2使电子加速，电子可达到任意位置。
如果电子在空间中与汞原子碰撞，把自己一部分能量传给汞原子。
从阴极射出来的电子能量不同，从小到大分布，能量大的原子传递给汞原子能量，先进入激发状态。
图二：加速电压的正极接G 1；图三：加速电压的正极接G 2。
这样连接的电路 ,能保证没有热电子打到板极上，只有正离子会从加速电压正极向板极加速运动。
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基础物理研究性实验报告弗兰克赫兹实验第一作者：第二作者：所在院系：目录摘要： (3)Abstract (3)一、实验目的 (4)二、实验原理 (4)1)激发电位 (4)2)夫兰克-赫兹实验的原理 (5)三、实验仪器 (7)四、实验内容 (7)1)准备工作 (7)2)氩元素的第一激发电位手动测量 (7)3)氩元素的第一激发电位自动测量 (8)五、数据处理（手动测量） (8)1)灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V (8)2)灯丝电压3.2V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V (10)3)灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.0V，拒斥电压9.0V (11)4)灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压8.0V (12)六、实验结果探究 (13)1)实验结果分析探究 (13)2)误差来源分析探究 (13)七、实验感想 (14)参考文献： (14)附： (15)摘要：本研究性报告以“弗兰克赫兹实验”实验为深入研究探讨的课题，简单介绍弗兰克赫兹实验的基本原理以及操作步骤等，重点进行改变某个实验步骤后实验的误差分析，从而进一步了解在实验过程中严格控制实验步骤的正确性对实验结果的重要性，对今后误差分析有一定的作用。
关键词：弗兰克赫兹实验步骤误差AbstractThis research report "Frank Hertz experiment" experimentsin-depth study of the themes, a brief introduction of the basic principles of Frank Hertz experiment and procedure, focusing steps to change an experiment experimental error analysis, and learn more about the experimental procedure strict control of the correctness of the experimental procedure of the importance of the experimental results, error analysis for the future have a certain role.Keywords: Frank Hertz experiment step error一、实验目的1、了解弗兰克--赫兹试验的原理和方法；2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法；3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。
二、实验原理1)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：h ν＝Em －En （1－1－1）式中，普朗克常数h = 6．63 ×10-34 J·s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。
设初速度为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量eU0。
当具有这种能量的电子与稀薄气体的原电子与原子（比如十几个乇的氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。
如以E1代表氩原子的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原子吸收从电子传递来的能量恰好为eU0 = E2 －E1 （l－1－2 ）时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态。
而且相应的电位差称为氩的第一激发电位（或称氩的中肯电位）。
测定出这个电位差U0，就可以根据（l－2－2）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了（其他元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。
2)夫兰克-赫兹实验的原理夫兰克一赫兹实验的原理图如图Array一所示。
在充氩的夫兰克一赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。
在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压UG2A 。
管内空间电位分布如图二所示。
当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（≥eUG2A ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成板极电流，为微电流计μA表检出。
如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己一部分能量传给氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以致通过第二栅极后已不足于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计μA表的电流将显著减小。
实验时，使UG2K电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观察到如图三所示的IA～UG2K曲线。
图三所示的曲线反映了氩原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。
当KG2空间电压逐渐增加时，电子在KG2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）。
穿过第二栅极的电子所形成的板极电流I A 将随第二栅极电压U G2K 的增加而增大（如图三的oa 段）。
当KG2间的电压达到氩原子的第一激发电位Uo 时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞，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。
而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回第二栅极（被筛选掉）。
所以板极电流将显著减小（图三所示ab 段）．随着第二栅极电压的增加，电子的能量也随之增加，在与氩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板极A ，这时电流又开始上升（ bc 段）。
直到 KG2间电压是二倍氩原子的第一激发电位时，电子在KG2间又会因二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降（cd 段），同理，凡在UGK2 ＝ n Uo （ n ＝1，2，3 …… ） （ 1－1－3） 的地方板极电流IA 都会相应下跌，形成规则起伏变化的IA ～UGK2 曲线。
而各次板极电流IA 下降相对应的阴、栅极电压差Un+1一Un 应该是氩原子的第一激发电位Uo 。
.本实验就是要通过实际测量来证实原子能级的存在，并测出氩原子的第一激发电位（公认值为 Uo ＝11.61V ）。
原子处于激发态是不稳定的。
在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，进行这种反跃迁时，就应该有e Uo 电子伏特的能量发射出来。
反跃迁时，原子是以放出光量子的形式向外辐射能量。
这种光辐射的波长为λνchh eU o == （ 1－1－4）对于氩原子 10815.11106.11000.31063.619834=⨯⨯⨯⨯⨯==--m eU hc o λÅ 如果夫兰克一赫兹管中充以其他元素，则可以得到它们的第一激发电位（表一）表一 几种元素的第一激发电位三、实验仪器FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪，示波器，导线若干。
四、实验内容1)准备工作①按照下图所示，连接好各组工作电源线，仔细检查，确定无误。
连接示波器，以直观观察I A-U G2K的波形变化情况②打开电源，将实验仪预热20～30分钟。
2)氩元素的第一激发电位手动测量①设置仪器为“手动”工作状态，按“手动/自动”键，“手动”指示灯亮。
②设定电流量程，按下相应电流量程键，对应的量程指示灯点亮。
③设定电压源的电压值。
④按下“启动”键，实验开始。
⑤重新启动.这时，操作者可以在该状态下重新进行测试，或修改状态后再进行测试。
3)氩元素的第一激发电位自动测量智能夫兰克一赫兹实验仪除可以进行手动测试外，还可以进行自动测试。
进行自动测试时，实验仪将自动产生VG2K扫描电压，完成整个测试过程；将示波器与实验仪相连接，在示波器上可看到夫兰克一赫兹管板极电流随VG2K电压变化的波形。
①自动测试状态设置②VG2K扫描终止电压的设定③自动测试启动④自动测试过程正常结束⑤自动测试后的数据查询⑥中断自动测试过程⑦结束查询过程回复初始状态五、数据处理（手动测量）1)灯丝电压3.0V，第一栅极电压1.5V，拒斥电压9.0V∆V 1=35V ∆V 2=33V ∆V 3=34.5V u 0̅̅̅=19(∆V 1+∆V 2+∆V 3)=11.39V 不确定度： μ(a )=√∑(∆V i3−u 0̅̅̅̅)2i 3n(n−1)=0.20031V μ(b )=∆√3=0.0577Vμ(u 0)=√μ2(a )+μ2(b)=0.2085V最终表达式为：u 0±μ(u 0)=(11.4±0.2)V 相对误差:η=|u 0实际−u 0理论|u 0理论=1.39%2) 灯丝电压3.2V ，第一栅极电压1.5V ，拒斥电压9.0V∆V 1=35V ∆V 2=33V ∆V 3=34.5V u 0̅̅̅=19(∆V 1+∆V 2+∆V 3)=11.39V 不确定度： μ(a )=√∑(∆V i3−u 0̅̅̅̅)2i 3n(n−1)=0.20031V μ(b )=∆√3=0.0577Vμ(u 0)=√μ2(a )+μ2(b)=0.2085V相对误差:η=|u 0实际−u 0理论|u 0理论=1.39%3) 灯丝电压3.0V ，第一栅极电压1.0V ，拒斥电压9.0V∆V 1=31V ∆V 2=33.5V ∆V 3=35V u 0̅̅̅=19(∆V 1+∆V 2+∆V 3)=11.06V 不确定度： μ(a )=√∑(∆V i3−u 0̅̅̅̅)2i 3n(n−1)=0.38859V μ(b )=∆√3=0.0577Vμ(u 0)=√μ2(a )+μ2(b)=0.3929V相对误差:η=|u 0实际−u 0理论|u 0理论=4.24%4) 灯丝电压3.0V ，第一栅极电压1.5V ，拒斥电压8.0V∆V 1=40.5V ∆V 2=33.5V ∆V 3=34V u 0̅̅̅=19(∆V 1+∆V 2+∆V 3)=12V 不确定度： μ(a )=√∑(∆V i3−u 0̅̅̅̅)2i 3n(n−1)=0.75154V μ(b )=∆√3=0.0577Vμ(u 0)=√μ2(a )+μ2(b)=0.75376V相对误差:η=|u0实际−u0理论|u0理论=3.90%六、实验结果探究1)实验结果分析探究1、增大第一栅极电压，板极电流的变化不显著，对应相同的V G2k的I A有增有减，但总体趋势不变，各峰值对应的V G2k变化不大，经理论分析，增大第一栅极电压，电流会增大，说明个别数据测量有误差。