实验二--弗兰克-赫兹实验
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。
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。
弗兰克赫兹实验
2-2弗兰克—赫兹实验【实验简介】1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福原子核模型的基础上，结合普朗克量子理论，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 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和赫兹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年获诺贝尔物理学奖。
【实验目的】1、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；2、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞和能量交换过程几率及影响因素。
【预习思考题】1．理解电子与原子碰撞能量交换过程的微观图像。
2．熟悉玻尔理论物理模型。
【实验仪器】DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪，示波器DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪由四组程控直流稳压电源、微电流检测器和单片机控制器组成。
有手动和自动两种工作模式。
DH4507智能型实验仪可手动逐点测绘处爬坡曲线，也可在慢速自动扫描情况下在示波器上观察爬坡曲线。
DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪主要技术指标：①弗兰克-赫兹管：氩气；4电极；谱峰（谷）数量≥6；管子寿命≥3000小时；②四路程控电源（四位显示）：灯丝电压 DC 0～5.9V ，1A ，最小步进电压值：0.1V ，最大步进电压值1V ；第一栅压：DC 0～7.9V ，10mA ，最小步进电压值0.1V ，最大步进电压值1V ；拒斥电压：DC 0～9.9V ，10mA ，最小步进电压值0.1V ，最大步进电压值1V ；第二栅压：DC 0～85.3V ，5mA ，最小步进电压值0.2V ，最大步进电压值10V 。
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。
弗兰克赫兹实验报告文库
一、实验背景弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家W.弗兰克和G.赫兹于1914年进行的，该实验旨在研究电子在电场作用下的运动规律，并证明原子能级的存在。
实验通过测量电子与原子碰撞时的能量交换，揭示了原子内部结构的量子化特性。
二、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；2. 加深对量子化概念的认识；3. 学习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。
三、实验原理1. 原子能级理论：根据玻尔理论，原子只能长时间地处于一些稳定的状态，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。
原子的能量只能从一个定态跃迁到另一个定态。
2. 电子与原子碰撞：当电子在电场作用下加速时，会获得动能。
当具有一定能量的电子与原子碰撞时，会发生能量交换。
若电子传递给原子的能量恰好等于原子从一个定态跃迁到另一个定态所需的能量，则原子会被激发。
3. 激发电势：原子从一个定态跃迁到另一个定态所需的能量称为激发电势。
在本实验中，测量氩原子的第一激发电势，即从基态跃迁到第一激发态所需的能量。
四、实验装置1. 夫兰克-赫兹管：由阴极、阳极、栅极和充有氩气的真空管组成。
阴极发射电子，阳极接收电子，栅极控制电子流。
2. 加速电压：通过调节加速电压，使电子在电场作用下获得不同动能。
3. 电流计：测量电子流过夫兰克-赫兹管时的电流。
4. 数据采集系统：用于记录电流与加速电压的关系。
五、实验步骤1. 将夫兰克-赫兹管接入实验电路，调整加速电压，使电子获得不同动能。
2. 测量电子流过夫兰克-赫兹管时的电流，记录数据。
3. 改变加速电压，重复步骤2，得到一系列电流与加速电压的关系曲线。
4. 分析数据，确定氩原子的第一激发电势。
六、实验结果与分析1. 实验结果显示，电流与加速电压的关系曲线呈阶梯状。
当加速电压低于第一激发电势时，电流几乎为零；当加速电压等于第一激发电势时，电流出现突变；当加速电压高于第一激发电势时，电流逐渐增大。
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。
弗兰克赫兹实验报告
弗兰克赫兹实验报告一、实验目的了解弗兰克赫兹实验的原理和方法，通过实验测量氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。
二、实验原理弗兰克赫兹实验是用一定能量的电子去轰击原子，通过测量电子与原子碰撞过程中的能量损失，来研究原子的能级结构。
当电子与原子发生非弹性碰撞时，电子损失的能量等于原子的激发能。
在本实验中，电子在加速电场中获得能量，然后与氩原子碰撞。
如果电子的能量小于氩原子的第一激发能，碰撞为弹性碰撞，电子能量几乎不变。
当电子能量达到氩原子的第一激发能时，会发生非弹性碰撞，电子损失能量，导致电流下降。
通过测量电流随加速电压的变化，可以得到氩原子的第一激发电位。
三、实验仪器弗兰克赫兹实验仪，包括充氩的弗兰克赫兹管、加热炉、微电流放大器、电压扫描电源等。
四、实验步骤1、连接实验仪器，打开电源，预热仪器一段时间。
2、调节加热炉温度，使弗兰克赫兹管中的氩气达到合适的工作状态。
3、调节电压扫描电源，设置起始电压、终止电压和扫描步长。
4、观察微电流放大器的示数，记录电流随加速电压的变化数据。
5、改变扫描步长，重复实验，获取多组数据。
五、实验数据及处理以下是一组实验测量得到的电流 I 随加速电压 U 的变化数据：｜加速电压 U（V）｜电流 I（μA）｜｜：：｜：：｜｜ 10 ｜ 20 ｜｜ 20 ｜ 35 ｜｜ 30 ｜ 50 ｜｜ 40 ｜ 70 ｜｜ 50 ｜ 85 ｜｜ 60 ｜ 60 ｜｜ 70 ｜ 45 ｜｜ 80 ｜ 75 ｜｜ 90 ｜ 60 ｜｜ 100 ｜ 40 ｜以加速电压 U 为横坐标，电流 I 为纵坐标，绘制电流电压曲线。
从曲线中可以明显看到电流出现多次下降，相邻两次下降对应的电压差值近似相等，这个差值即为氩原子的第一激发电位。
通过对数据的分析和计算，得到氩原子的第一激发电位约为_____V。
六、实验误差分析1、温度的影响：实验中弗兰克赫兹管的温度对氩原子的状态有影响，如果温度不稳定或偏离最佳值，可能导致实验结果的偏差。
弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验
基态(ground state)
基态是能量最低即最稳定的状态。
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
2010/5/1 Dr. Prof. W.N.Pang 7
激发态(excited states)
除基态以外的其余定态。 电子只有从外部吸收足够能
玻尔
研究原子结构，提出原 子理论两个基本假设：
● 定态假设 ● 频率规则
6
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玻尔原子模型 1913年
Dr. Prof. W.N.Pang
h Em En
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h 6.63 1034 J s
Dr. Prof. W.N.Pang
Dr.Prof.Pang
1
2010/5/1
波尔1885年生于哥本哈根，1941年在哥本哈根大学毕业，获
博士学位。1961年任哥本哈根大学理论物理学教授，1962年起 担任哥本哈根大学理论物理研究所所长。曾任丹麦皇家科学院 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。
关于轨道能量量子化的概念
用慢电子轰击稀薄气体原子(Hg)，做原子电离电位测
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。
数据处理要求
使用两种方法:
1)逐差法 U g
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是一次测定气体放电的实验。
在实验过程中，弗兰克和赫兹使用了一种由玻璃管制成的装置，称为阴极射线管。
他们在其中充入了气体，然后通入高压电以产生电场，使得电子在电场中加速，然后撞击气体原子并激发其内部能级。
从而，在阴极射线管的透明端产生一个强烈的荧光。
他们观察到，正电极和阴极之间的电压增加时，荧光的强度增加。
同时，他们还发现在一定的电压下，荧光的颜色也会发生变化。
这些结果表明气体的性质是可以通过实验测定的，并且这些性质可以随着电压的变化而发生变化。
弗兰克赫兹实验对物理学的发展产生了很大的影响。
通过实验测量，人们得以发现气体原子的发射光谱，这有助于我们了解物质结构以及物质中发生的化学反应。
实验中还提出了“激发态”“电离态”等概念，这些概念对后来的物理学研究也产生了很大的影响。
一、实验目的本实验旨在通过实验测量，探究气体的性质以及气体原子在不同电压下的发射光谱，了解物质结构以及物质中发生的化学反应。
二、实验原理在阴极射线管中充入气体，通入高压电以产生电场，使得电子在电场中加速，然后撞击气体原子并激发其内部能级。
从而，在阴极射线管的透明端产生一个强烈的荧光。
三、实验步骤1. 装置调试：首先调整阴极射线管的高压电源和放大器，使其达到最大输出。
2. 接通气源管：通入氧气、氮气和氢气等气体，设置压力和流量控制，使得气体充满壳体。
3. 开始实验：通过调节高压电源的输出电压，记录下气体光谱变化的情况。
在记录数据时，须通过调节放大器，使光强度适宜，不得高于装置允许的最大值。
4. 数据处理：对实验数据进行处理，计算气体光谱的变化情况，并进行图形展示。
四、实验结果及分析1. 氧气气体放电光谱变化：实验中记录下氧气在不同电压下的放电光谱，如图1所示。
（图1）由图1可以看出，当电压从0V增加到200V时，氧气的光谱变化不明显；当电压达到250V时，氧气放电的光谱发生明显的变化，出现了两条不同颜色的光谱线，且光谱线的明亮程度也随着电压的增加而增大。
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。
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。
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-赫兹实验实验报告
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。
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 曲线计的电流将显着的减小。
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
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。
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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。
电子获得能量的方法是将电子置于加速电场中加速。
设加速电压为U，则经过加速后的电子具有能量eU，e是电子电量。
当电压等于Ug时，电子具有的能量恰好能使原子从正常状态跃迁到第一激发态．因此称Ug为第一激发电势。
弗兰克一赫兹实验的实验原理图如图1所示。
电子与原子的碰撞是在充满氩气的F—H管(弗兰克一赫兹管)内进行的。
F-H管包括灯丝附近的阴极K，两个栅极G1、G2．板极A。
第一栅极G1靠近阴极K，目的在于控制管内电子流的大小，以抵消阴极附近电子云形成的负电势的影响。
当F—H管中的灯丝通电时，加热阴极K，由阴极K发射初速度很小的电子。
在阴极K与栅极G2之问加上一个可调的加速电势差VG2，它能使从阴极K发射出的电子朝栅极G2加速。
由于阴极K到栅极G2之间的距离比较大，在适当的气压下，这些电子有足够的空间与氩原子发生碰撞。
在栅极G与板极A之问加一个拒斥电压VG2，当电子从栅极
G2进入栅极G2与板极A 之问的空间时，电子受到拒斥电压VG2产生的电场的作用而减速，能量小于e VG2的电子将不能到达板极A 。
图1
当加速电势差VG2由零逐渐增大时，板极电流IP 也逐渐增大，此时．电子与氩原子的碰撞为弹性碰撞。
当VG2增加到等于或稍大于氩原子的第一激发电势Ug 时，在栅极G2附近．电子的能量可以达到临界能量，因此，电子在这个区域与原子发生非弹性碰撞，电子几乎把能量全部传递给氩原子，使氩原子激发。
这些损失了能量的电子就不能克服拒斥电场的作用而到达板极A ，因此板极电流IP 将下降。
如果继续增大加速电压VG2，则在栅极前较远处，电子就已经与氩原子发生了非弹性碰撞，几乎损失了全部能量。
但是，此时电子仍受到加速电场的作用，因此，通过栅极后，电子仍具有足够的能量克服拒斥电场的作用而到达板极A ，所以。
板极电流IP 又开始增大。
当加速电压VG2增加到氩原子的第一激发电位Ug 的2倍时，电子和氩原子在阴极K 和栅极G2之问的一半处发生第一次弹性碰撞，在剩下的一半路程中，电子重新获得激发氩原子所需的能量，并且在栅极G 。
附近发生第二次非弹性碰撞，电子再次几乎损失全部能量，因此，电子不能克服拒斥电场的作用而到达板极A ．板极电流IP 又一次下降。
由以上分析可知，当加速电压VG2满足式(2) ：
2
VG nUg (2)
时，板极电流IP 就会下降。
板极电流IP 随加速电压VG2的变化关系如图2所示。
从图中可知，两个相邻的板极电流IP 的峰值所对应的加速电压的差值是11.5V 。
这个电压等于氩原子的第一激发电势。
图2 IP-VG2曲线图
三、实验仪器
F H H -- 弗兰克-赫兹实验仪、计算机
四、实验内容及步骤
在进行测量之前，需要对冲汞的弗兰克-赫兹管加热，温度可调节。
当弗兰克-赫兹管面板上的温度指示灯变红色时即可调节灯丝电压 1.6F V V = 、控制栅电压
1 2.6G K V V =和减速栅
2 1.0G K V V =。
1、 联机测量
（1） 进入实验：按照弗兰克-赫兹实验仪面板上的电路图进行电路连接，打开电源
（2） 开始实验 A 、输入实验参数 B 、采集数据 2、 手动测量
将“扫描选择”调到“手动”档进入手动测量模式。
观测数字电压显示窗口，不断调节扫描电压，从电流表中读取相应的电流，记录数据，绘制曲线。
3、 用步骤1的方法分别测量为140°C 、160°C 、190°C 时的P a I U - 曲线，研究其差异，并在实验报告中说明造成其差异的原因
五、实验数据
实验指导老师签名 学生签名
实验指导老师填写
1、实验记录是否完整准确□
2、有无涂改抄袭现象□
六、数据处理
Franck-Hertz 图
各峰值之间的差为 12345630.217.912.341.230.91152.741.211.565.252.712.577.765.212.590.777.713U v v v
U v v v U v v v U v v v U v v v U v v v ∆=-=∆=-=∆=-=∆=-=∆=-=∆=-=
故Ar 的第一激发电位为：
123456
6
12.31111.512.512.51312.16U U U U U U U v v v v v V U v
∆+∆+∆+∆+∆+∆∆=
+++++∆==
七、习题
1、为什么
P a
I U -呈周期性变化？
当2
KG 间电压2G K
U 逐渐增加时，电子在
2
KG 空间被加速而取得越来越多的
能量。
当电子取得的能量较低时，与氩原子碰撞不足以影响氩原子的内部能量，板极电流
A
I 将随
2G K
U 的增加而增加。
当
2
KG 间加速电压达到氩原子的第一激发
电位时，电子在栅极附近2
G 与原子碰撞，将自己的能量传递给原子，使原子从
基态被激发到第一激发态。
而电子失去几乎全部动能，这些电子将不能克服拒斥电场而到达板极A ，板极电流
A
I 开始下降。
继续升高加速电压UG2K ，电子获
得的动能亦有所增加，这时电子即使在2
KG 空间与氩原子相碰撞损失大部分能
量，仍留有足够能量可以克服拒斥电场而达到板极A ，因而板极电流A
I 又开始
回升。
因此，凡在
2G K g
U nU = 的地方板极电流都会相应下降。
2、灯丝电压、控制栅电压、拒斥电压的改变对实验结果有何影响，如何解释？ （1）灯丝电压对实验曲线的影响：灯丝电压越高，曲线位置越高。
这是因为升
高灯丝电压，灯丝温度将升高，电子更容易受激发逸出，因此相比低灯丝电压时，参与碰撞的电子密度高。
这样检流计检测到的电流就要大一些，从而出现曲线位置随灯丝电压增大而升高的情况。
（2）控制栅电压对实验曲线的影响：发逸出，，参与碰撞的电子密度高。
这样检流计检测到的电流就要大一些，会出现曲线位置随灯丝电压增大而升高的情
况。
第一栅极电压的影响1 G K U
为K 附近一个小的正向电压，用于驱散附在热阴极上电子云的作用。
增大此电压，将有利于电子逸出进入2KG 空间，使曲
线位置上移。
（3）拒斥电压对实验曲线的影响：阴极拒斥电压用于加热灯丝，升高灯丝电压，灯丝温度将升高，电子更容易受激发逸出，参与碰撞的电子密度高。
这样检流计检测到的电流就要大一些，会出现曲线位置随灯丝电压增大而升高的情况。
八、误差分析
（1）读取电流时，由于仪器的自身元件问题，电流并不稳定，所以读取时不能读得很精确。
（2）在测量Hg的激发电压时，跨度电压为0.5V，在取到的数据峰值处，不一定是真实的峰值。
所以也会产生误差。
（3）一起元件，以及激发态原子的不稳定性，都可能造成误差。
九、实验结论
本实验通过研究电子碰撞氩原子能量交换过程，论证了原子能级的存在，从而证明了玻尔原子理论。
并测得了氩原子的第一激发电位。
教师评语：
签字：备注：。