PPT-弗兰克-赫兹实验
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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(Franck-Hertz)实验
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。
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。
一、弗兰克-赫兹实验的实验方法
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang
3
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1925
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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
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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。
夫兰克赫兹实验PPT课件
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夫兰克—赫兹管的构造原理如图1所示。
在夫兰克-赫兹管中充待测气体，灯丝电源Vf给灯丝和 阴极K加热，电子由热阴极K发出，阴极K和第一栅极G1 之间的加正电压，其作是消除电子在阴极附近的堆积效 应，起到控制电子流大小的作用。第二栅极的加速电压 使电子加速，在阳极P和栅极G之间加有反向拒斥电压。
交换 态能量，
子的 那么
基态能量 当该气体
、原E子2代接表受
从电子传递来的能量恰好为
eU0=E2-E1 时，气体原子就会从基态跃迁到第一激发态。而 相 (或应称的中电肯势电差势U)。0称测为定该出气这体个元电素势的差第U一0，激就发可电以势 根据上式求出基态和第一激发态之间的能量差了。
hn = Em-En 式中h为普朗克常数,其公认值为：h=6.63×10-34 J·S
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为了使原子从低能级向高能级跃迁，可 以通过让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势差为U。的加速电
场作用下，获得能量eU。当具有这种能量的电
子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量
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管内空间电势分布 如图2所示。
当电子通过空间进入空间时，如果有较大的能量 (≥eUP-UG2)，就能冲过反向拒斥电场而到达阳极形成 阳极电流IP，为微电流计检出。如果电子在空间与待测 气体原子碰撞，把自己一部分能量给了待测气体原子 而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小， 以至通过第二栅极后已不足以克服拒斥电场而被折回 到第二栅极。这时，通过电流计的电流就将显著减小。
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如果第二栅极电压继续增加， 电子的能量又随之增加，在与 气体原子相碰撞后还留下足够 的能量，可以克服反向拒斥电 场而达到阳极P，这时电流又 开始上升。直到电子的能量
实验38 弗兰克—赫兹实验---讲义
实验三十八弗兰克—赫兹实验1913年丹麦物理学家玻尔（N❿Bohr）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（J❿Franck）和赫兹（G❿Hertz）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。
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。
一、实验目的1、研究弗兰克—赫兹管中电流变化的规律2、测量氩原子的第一激发电位；证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。
二、实验仪器LB-FH弗兰克-赫兹实验仪，示波器三、实验原理夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，氧化物阴极K，阳极A，第一、第二栅极分别为G1、G2。
图1弗兰克-赫兹实验原理图灯丝电压K-G 1-G 2加正向电压，为电子提供能量。
V G1K 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eV G2K ，就能到达板极形成板极电流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。
（2） G 1-G 2区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。
当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差∆E ＝E 2-E 1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。
夫兰克赫兹实验PPT教案
拒斥电压VG2A（反向）鉴定电子剩余能量： E’> eVG2A的电子到达板极A形成电流IA E’< eVG2A的电子则被VG2A弹回， IA =0
IA E’ E=eVG2K
电子损失能量 定值
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实验方法
给定灯丝电压、VG1K、VG2A；缓慢增加VG2K， 测出相应的板极电流IA。理论上，IA与VG2K 的对应关系应如图所示。
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二、测量U0
测量过程用联机测试方式完成。 全部在电脑上操作，由电脑控制仪器， 仪器上不需再手动设置。
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1、第一次测量：用标准参数测绘IA~UGK曲线。 a. 实验仪器置自动测试状态；计算机进入实
验系统，“用户”、“密码”均为“sa”。 b. 点击“数据通讯—开始实验”；“工作方式”
采用“联机测试”；“仪器号”采用“1/A设备”； 进入“下一步”。学号、姓名之类可写可不写。
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c．记录仪器箱上盖标牌所规定的标准参数， 并输入程序中，标牌上有的都要输入，特 别是电流量程应选择1uA，另外Vstop=85v。 （原为80.0v） 标牌没有的参数保持原样。 单击“下一步”，电脑自动测绘IA~VG2K曲线。
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其它实验方式
本实验也可采用手动或自动模式。 电流图可以输出至示波器显示。 以上内容了解即可，本次实验不做。
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数据记录及处理
自行设计表格记录数据。
1．由各波谷的电位求出第一激发电位U0。 （波峰误差较大，不用）
(1)前后波谷电压相减取平均。（必须做）
(2)如有6组U谷，可用逐差法计算。（附加）
关闭并重新打开程序，设置参数时改变灯 丝电压，在标准参数上加或减0.1V，重复进 行实验，测绘曲线。分析F-H实验曲线的变 化并讨论其原因。（提示：灯丝电压影响 阴极发射的电子数目） 加或减只需变化一次。
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.
夫兰克赫兹实验的的结果图像分析-PPT文档资料
2019-6
0519095 王凯琳
4
实验内容
调节各参数电压UF、UG1K、UG2P的值，扫 描电压UKG的变化范围约为0-90V，重复 扫描并记录对应的I-U曲线。 比较不同参数条件下不同曲线的形状差异， 分析差异产生的可能原因。 挑选峰多且排列紧密，峰谷比较大的最理 想的一条曲线，计算汞原子的第一激发电 位值。
2019-6
0519095 王凯琳
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实验内容
不同的UF值
2019-60519095 Nhomakorabea凯琳6
实验内容
不同的UG1K值
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0519095 王凯琳
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实验内容
不同的UG2P值
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0519095 王凯琳
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实验内容
挑选C-3号曲线计算
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图名：峰值电压与峰序数n关系 拟合结果： Equation: y = A + B*x R^2 = 0.99985 A = -1.66667 ± 0.1992 B = 5.04167 ± 0.0237
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0519095 王凯琳
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Thank You！
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0519095 王凯琳
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汞原子第一激发电位 实验结果： （5.04±0.02）V 理论值： 4.9 V
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n
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实验小结
通过这一实验，可以了解夫兰克和赫兹 研究气体放电现象中低能电子与原子间相互 作用的实验思想和方法，在误差允许的范围 内测得了汞原子第一激发电位值，并且着重 分析了不同的各电压参数对实验图像所造成 的影响，比较清晰的理解了电子在夫兰克赫兹管中的整个运动过程。
原子物理课件 第4节 夫兰克—赫兹实验
IA
4.68 4.9
5.29 5.78 6.73
KG间的电压 间 1
电离电势的测定 实验装置： 是发射电子的热阴极 是发射电子的热阴极、 是圆形金属网 是圆形金属网、 是圆形 实验装置：K是发射电子的热阴极、G是圆形金属网、A是圆形 阳极， 和 同电位 同电位， 维持一定的电压 维持一定的电压， 阳极，G和A同电位，GK维持一定的电压，圆柱网下底的中央 开一孔，盖一层金属网G 外另有一热阴极K 开一孔，盖一层金属网 1，G1外另有一热阴极 1。 实验分成两个步骤： 实验分成两个步骤： 1. KG维持固定电压，逐渐增加 的电流 维持固定电压， 维持固定电压 逐渐增加K的电流 起初KG间的电流上升，后来停止增加。 起初 间的电流上升，后来停止增加。 间的电流上升 这是由于： K的电子发射量较大时 的电子发射量较大时， 这是由于：当K的电子发射量较大时， 它周围有大量的电子拥挤着， 它周围有大量的电子拥挤着，不能很 快地向A极疏散 从而限制了K上电子 极疏散， 快地向 极疏散，从而限制了 上电子 的发射，使发射量不再增加。 的发射，使发射量不再增加。 2、由小加大K1G1间的电压 、由小加大 阴极K1所发的电子就被加速而进入GG1 阴极 所发的电子就被加速而进入 容器内，一旦K 容器内，一旦 1G1间的电压达到某数 值之后， 电流计突然增加 电流计突然增加。 值之后，KG电流计突然增加。 阴极
§2.4、夫兰克-赫兹实验 2.4、夫兰克-
1913年，玻尔提出了一个氢原子模型，这已被氢原子光谱和其 年 玻尔提出了一个氢原子模型， 它原子光谱的实验规律所证实。此外， 它原子光谱的实验规律所证实。此外，还可以用其它方法来证 实玻尔理论。 实玻尔理论。 1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹采取慢电子（几个到几十 年 德国物理学家夫兰克和赫兹采取慢电子（ 夫兰克和赫兹采取慢电子 个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的方法， 个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的方法，观察测量到了汞 著名的F-H实验。 实验。 的激发电位和电离电位，这就是著名的 的激发电位和电离电位，这就是著名的 实验 通过实验观测，直接证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量 通过实验观测， 是分立的、不连续的；证明了原子能级的存在， 是分立的、不连续的；证明了原子能级的存在，证明了玻尔第 一假设的正确性；为玻尔的原子结构理论的假说提供了有力的 一假设的正确性； 实验证据；为此他们分享了1925年的诺贝尔物理学奖。 年的诺贝尔物理学奖。 实验证据；为此他们分享了 年的诺贝尔物理学奖 他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。 他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。研 究原子结构的主要途径有两个，一是利用光谱推测原子结构； 究原子结构的主要途径有两个，一是利用光谱推测原子结构； 二是利用碰撞研究原子的结构。 二是利用碰撞研究原子的结构。
弗兰克赫兹FranckHertz实验
F:电子发射丝
电子加速。
K:阴极
G1:控制栅极
UG
G2:加速栅极
在收集极R和加速栅极 G2之间设置减速电压UR。
2R0:19收/9/集17 极
2019/9/17
K G1
G2 R
Dr. Prof. W.N.Pang
X 17
17
注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏，消除阴极电子散射的影响。
弗兰克—赫兹实验设计的巧妙之处
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
《原子理论与自然界描述 》、1955年出版《知识统一性》等。
1922
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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。
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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
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五、实验报告及数据处理要求
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五、实验报告及数据处理要求
夫兰克--赫兹实验实用PPT文档
当电子与氢原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场而到达板极P，此时板极电流将开始上升。
夫非兰弹克 性-碰-赫撞兹时实，验各电电子路参损原耗理考大量电能量压，速一率明定显减要小。在实验卡给定的数据范围之内，否则
将造成管子的老化或激穿。 当电子与氢原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场而到达板极P，此时板极电流将开始上升。
撞因。此他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
F13
因数此据他 处们理获得了1电925年压的诺U贝尔F物、理学控奖。制栅电压U1和减速电压U3。
加速电压U 由扫描电源E 供给，输出波形为锯齿 (1)逐差法处理数据
加速电压U2由扫描电源E2供给，输出波形2为锯齿波，扫描分为手动和自2动两种。
波，扫描分为手动和自动两种。 夫兰克--赫兹实验电路原理
IP ~ U2曲线
IP(10-8)
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图２)
原子的激发电位
随着U2 的增加，电子能量增加。当电子与氢原子碰 撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场 而到达板极P，此时板极电流将开始上升。如果电子 在KG2空间得到的能量 eU2 =2 ∆E，电子在KG空间 会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电 流下降。在U2 较高的情况下，电子在跑向栅极的路 程中，将与氢原子发生多次非弹性碰撞、只要U2 = n ∆ E（ n=1， 2，…），就发生这种碰撞。在IP ~ U2曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰 （或谷）对应的U0之差，即为原子的第一激发电位。
夫非兰弹克 性-碰-赫撞兹时实，验各电电子路参损原耗理考大量电能量压，速一率明定显减要小。在实验卡给定的数据范围之内，否则
将造成管子的老化或激穿。 当电子与氢原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场而到达板极P，此时板极电流将开始上升。
撞因。此他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
F13
因数此据他 处们理获得了1电925年压的诺U贝尔F物、理学控奖。制栅电压U1和减速电压U3。
加速电压U 由扫描电源E 供给，输出波形为锯齿 (1)逐差法处理数据
加速电压U2由扫描电源E2供给，输出波形2为锯齿波，扫描分为手动和自2动两种。
波，扫描分为手动和自动两种。 夫兰克--赫兹实验电路原理
IP ~ U2曲线
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图２)
原子的激发电位
随着U2 的增加，电子能量增加。当电子与氢原子碰 撞后还留下足够的能量，可以克服G2P空间的减速场 而到达板极P，此时板极电流将开始上升。如果电子 在KG2空间得到的能量 eU2 =2 ∆E，电子在KG空间 会因二次弹性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电 流下降。在U2 较高的情况下，电子在跑向栅极的路 程中，将与氢原子发生多次非弹性碰撞、只要U2 = n ∆ E（ n=1， 2，…），就发生这种碰撞。在IP ~ U2曲线上将出现多次下降。对于氩，曲线上相邻两峰 （或谷）对应的U0之差，即为原子的第一激发电位。
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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。
1919 年，弗兰克与赫兹才表示同意玻尔观点，并因此获得 1925 年诺 贝尔物理学奖！ 弗兰克在诺奖领奖词中讲道：“在用电子碰撞方法证明向原子传递的 能量是量子化的这一科学研究的发展中，我们所做的一部分工作犯了许 多错误，走了一些弯路，尽管玻尔理论已为这个领域开辟了笔直的通道。 后来我们认识到了玻尔理论的指导意义，一切困难才迎刃而解。我们清 楚的知道，我们的工作所以会获得广泛的承认，是由于它和普朗克、特 别是和玻尔的伟大思想和概念有了联系！”
6402.2
8115.3
实验原理——弗兰克赫兹实验
UG2K=U3
UG2K=U1 UG2K=U2 电子与原子第一 次碰撞，将eU0能 量传递给原子 与原子碰撞交出能量的电 子数量增多，能量损失后 未能穿越板极 A ，电流减 小！
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
氩原子
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！
思考题
4 、为什么第一激发电位（ ~11.6V ）不等于曲线 第一个峰的电压（~22V）？ 答：a、拒斥电压的存在（~8V） b 、 F-H管的阴极 K 和栅极 G2 往往由不同的金属材 料制作，因此会产生接触电势差，使电子实际的 加速电压不等于 UG2K ，这将影响 F-H 实验曲线第 一个峰的位置。 5、为什么曲线的峰值是缓慢过渡的，而不是瞬间 达到的？ 分析原因：灯丝发射电子的初动能并不是完全确 定的一个值，而是满足一个正态分布，电子经加 速后的动能也存在一个分布，所以导致峰电流和 谷电流存在一定的宽度。
U0 U0 U0 U0 U0
IA-UG2K曲线
电流显示
电压显示
电压显示 档位转换
电流显示 档位转换
电压调节
增大减小 调节按钮
左右位置 选择按钮
实验内容
1、各旋钮逆时针旋至底，接通导线，检查无误后开机，预 热5min。【电子逸出过程与热能有关，需要一定的稳定时 间，故需预热！】
2、自动/手动测量： (1)“自动/手动”； (2)参数设置：参考机箱盖上提供数据； (3)“启动/增加VG2K 电压”； (4)查阅数据，记录谷底或峰尖对应 VG2K 电压，并计算第 一激发电位U0。 3、按下“自动/手动”键，将数据清零。
思考题
2、谷电流为什么不为零？ 答：由于电子在栅极 G2 附近跟氩原子发生 碰撞存在一定的几率，总有一部分电子在栅 极附近未与氩原子发生碰撞而直接到达 A极 形成电流，因此谷电流不等于零。 3 、为什么随着 UG2K 的增加， IA 的峰值越来 越高？ 答：因为随着UG2K的增加，能够穿越A极的 电子数量越来越多，电流IA越来越大。
E≤e•VG2A 时 ： 电 子 未 能穿越板极A形成电流， 栅极电流为零！
E≥e•VG2A 时：电子穿越板极 A 形成电流，且随着VG2K的增大， 能够穿越的电子数量越来越多， IA-UG2K曲线 电流IA增大！
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。
方法。
实验原理——玻尔原子模型
玻尔关于原子理论的两个基本假设： 1）定态假设：原子只能较长久地 停留在一些定态，原子在定态时不发 射也不吸收能量，各定态的能量是不 连续的值E1、E2、E3、…。 2）跃迁假设：原子从一个定态 E2 跃迁到另一个定态 E1时，要辐射出一 个光子，其频率是一定的，满足： hυ=E2-E1
北华航天工业学院 基础部-物理实验室
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。
实验目的
通过测定（氩）原子的第一激发电位 U0 ， 证明玻尔原子能级的存在，了解原子能级 的量子化结构。
了解夫兰克－赫兹实验的设计思想和实验
实验原理——玻尔原子模型
一般情况下，原子的最外层电子都是处于基态的。 当原子受到外部能量的作用后，其最外层电子就 会跃迁到高能级上，变为激发态原子，eU0=E2-E1 。 激发态原子极不稳定，在极短时间内就会重新跃 迁回基态，并将其吸收的能量以光子形式释放出 去 ,hυ=E2-E1 。每一种跃迁都会发射出一种波长的光， 在光谱中相应的产生一种谱线。
实验原理——第一激发电位
eU0=E2-E1
第一激发电位
hυ=E2-E1
元素 U0（V）
汞（Hg）钠（Na） 钾（K） 锂（Li） 镁（Mg）氖（Ne） 氩（Ar） 4.9 2.12 1.63 1.84 3.2 18.6 13.1
l（Å）
2537
5890 5896
7664 7699
6707.8
4571
电磁波谱与可见光谱
趣
闻
玻尔原子模型——1913年诺贝尔物理学奖！ 弗兰克-赫兹实验——利用汞蒸气实验，发现每隔4.9 V电势差，板极 电流就突降一次。 但是他们认为这是因为 4.9 V的电势差引起了汞离子的电离，这恰与 当时比较盛行的“斯塔克理论”相恰和。于是他们在论文中明确表示： “我们的实验结果不符合玻尔理论”。 尽管如此，玻尔于1915年坚持指出“弗兰克-赫兹实验的4.9 V正是我 的能级理论中预言的汞原子的第一激发电位！”