弗兰克赫兹实验思考题2
弗兰克赫兹实验思考题
弗兰克赫兹实验思考题
弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年进行的实验。
他们在实验中观察到了电子的散射现象，从而验证了能量量子化的概念。
思考题:
1. 弗兰克-赫兹实验的目的是什么？
2. 实验中的主要装置是什么？
3. 实验中观察到的现象是什么？它是怎样验证能量量子化的？
4. 弗兰克-赫兹实验对于量子力学的发展有何重要意义？
答案:
1. 弗兰克-赫兹实验的目的是研究气体原子对电子的散射行为，验证能量的量子化假设。
2. 实验中的主要装置是一个真空管，其中包含有气体原子
和阴极阳极电极。
3. 实验中观察到的现象是电子在通过真空管时的能量损失。
当电子从阴极经过真空管时，它们会与气体原子发生碰撞，导致能量损失和方向改变。
弗兰克-赫兹实验中研究气体原
子的电离和激发过程，通过观察电流的变化，可以获得电
子在真空管中的能量损失情况。
这些能量损失的离散化现
象验证了能量的量子化假设。
4. 弗兰克-赫兹实验的成功验证了能量量子化的概念，为后续量子力学的发展奠定了基础。
实验结果表明，电子的能
量是离散的，只能取特定的能级。
这一发现对于理解原子
和分子的能级结构、光谱现象、电子行为等方面具有重要
意义，为量子力学的发展提供了重要的实验依据。
弗兰克赫兹实验思考
弗兰克赫兹实验思考1.弗兰克赫兹管内发生的物理过程、奇特伏安特性曲线的解释：在我们的实验中，用的是充氩的弗兰克赫兹管。
实验中，从灯丝发出的热电子经过一次预加速（Ug1k加速）后，进入Ug2k加速区间，并与管内的亚原子发生碰撞。
按照量子理论，氩原子的能量状态是不连续的，即氩原子有分立的能级。
当氩原子吸收电磁波或受到其它有足够能量的粒子碰撞时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。
?而具有适宜能量的热电子的碰撞，就能引起氩原子能态的激发。
于是，会出现这样的情况：（1）Ug2k逐渐升高，热电子能量较低时，无法引起氩原子能态的激发，与氩原子发生弹性碰撞；（2）随着Ugk2升高，当电子能量达到某一个临界值时，电子的能量在碰撞中会被氩原子吸收，此时，随着Ugk2升高，能够通过反向电压的电子数量将会明显地下降，（由于有很多初速度不一的电子，实际电流并不为零）；（3）随着Ug2k的升高，电子经过一次非弹性碰撞后，剩下的能量提高，使得可以通过反向电压的电子数量逐渐变多，伏安特性曲线再次上升；（3）等到Ug2k恰使电子能完成两次非弹性碰撞时，能够通过反向电压的电子数量又将会明显地下降；当Ug2k恰使电子能够完成N次非弹性碰撞时，都会出现电流下降的情况。
就这样，随着Ug2k的升高，伏安特性曲线整体升高，但呈现周期性波动的特性。
这样的伏安特性曲线说明了氩原子的能量状态是不连续的，即氩原子有分立的能级。
至于要考察氩原子的有多少激发态，则不能使用这样的接线方式：因为，我们所用的接线方式使得电子每加速到能使氩原子能量由基态跃迁到第一激发态时，其能量就被吸收了。
没有办法观察到能量更高的能态。
2.第一激发电位：将原子中的一个外层电子从基态激发至激发态所需要的能量称为原子的激发电位(Ei)，通常以电子伏特(eV)为单位表示。
显然，原子的第一激发电位，就是将原子中的一个外层电子从基态激发至第一激发态所需要的能量。
而我们的实验中，用热电子碰撞氩原子，所得伏安特性曲线峰值（电流下降前一瞬电压）的逐差值，再乘上e，就是那个使氩原子外层电子从基态激发至第一激发态所需要的能量的值。
弗兰克—赫兹实验思考题答案
弗兰克—赫兹实验思考题答案[预习思考题]1、什么是能级？玻尔的能级跃迁理论是如何描述的？答：在玻尔的原子模型中，原子是由原子核和核外电子所组成，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。
在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量，轨道不同，能量的大小也不相同。
这些与轨道相联系、大小不连续的能量构成了能级。
当原子状态改变时，伴随着能量的变化。
若原子从低能级Ｅn跃迁到高能级Ｅm，则原子需吸收一定的能量，该能量的大小为△E：△E＝Ｅm－Ｅn若电子从高能级Ｅm跃迁到低能级Ｅn，则原子将放出能量△E。
2、为什么I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流随U G2K的增大而增大？答：电子与汞原子的碰撞有一定的几率，总会有一些电子逃避了碰撞，穿过栅极而到达板极。
随着U G2K的增大，这些电子的能量增大，因此在I G2A －U G2K曲线上的各谷点电流也随着增大。
[实验后思考题]1、温度对充汞F－H管的I G2A－U G2K曲线有什么影响？答：当温度过大时，单位体积内的汞原子数增加，电子的平均自由程减小，电子与汞原子的碰撞次数增加，因此，在整个加速过程中，弹性碰撞的总能量损失相应增大，其I G2A电流减小。
２、在I G2A－U G2K曲线上，为什么对应板极电流I G2K第一个峰的加速电压U G2K不等于4.9V？答：对应板极电流I G2K第一个峰的加速电压U G2K不等于4.9V的主要原因是：由于阴极与栅极不是由同一种材料组成，其间存在接触电势差。
３、如何利用该套实验设备测出汞原子的电离电势？答：利用该套实验设备测量汞原子的电离电势的方法是：降低炉温，重新选择U G1K、U G2A，谨慎地选择灯丝电压，使得在第二个第一激发电位峰出现后即出现电离峰，以电离曲线中的第一个峰（对应4.9V）为定标标准，求出电离峰与第一峰的距离，即可知电离电位。
或在不改变温度的情况下，选择合适的U G1K、U G2A，遏止全部电子，将全部离子拉向板极，测量离子电流与U G2K的曲线，则该曲线拐点处即为电离电位。
弗兰克赫兹含思考题
西安交通大学实验报告成绩第 1 页（共 9 页）课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日专业班号___ ___组别_______ 交报告日期：年月日姓名__Bigger __学号_ _ 报告退发：（订正、重做）同组者__ ________ 教师审批签字：实验名称：弗兰克-赫兹实验一、实验目的1)通过测氩原子第一激发电位，了解Franck和Hertz在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。
2)了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
二、实验仪器FH—1A、Franck-Hertz实验仪、示波器等。
三、实验原理图1是充氩四极Franck-Hertz实验原理图。
图1 Franck-Hertz实验原理图电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述：22221111''2222e e m v MV m v MV E +=++∆(2.1)式中：m e ——原子质量； M ——电子质量； v ——电子碰撞前的速度； v ’——电子碰撞后的速度； V ——原子碰撞前的速度； V ’——原子碰撞后的速度； ΔE ——原子碰撞后内能的变化量。
按照波尔原子能级理论，ΔE = 0 弹性碰撞； ΔE = E 1 - E 0 非弹性碰撞；式中：E 0——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。
电子碰撞前的动能1/2m e v 2 < E 1 - E 0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE = 0，原子仍然停留在基态。
电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能1/2m e v 2 ≥ E 1 - E 0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值（E 1 - E 0）的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。
Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的。
在充入氩气的F-H 管中（如图2所示），阴极K 被灯丝加热发射电子，第一栅极（G1）与阴K 之间的电压V G1K 约为1.5V ，其作用是消除空间电荷对阴极K 的影响。
近代物理实验思考题答案
一、 夫兰克—赫兹实验 1解释曲线I p －V G2形成的原因答；充汞的夫兰克-赫兹管，其阴极K 被灯丝H 加热，发射电子。
电子在K 和栅极G 之间被加速电压KG U 加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极A 之间加反向拒斥电压GA U ，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流A I 。
2实验中，取不同的减速电压V p 时，曲线I p －V G2应有何变化？为什么？答；减速电压增大时，在相同的条件下到达极板的电子所需的动能就越大，一些在较小的拒斥电压下能到达极板的电子在拒斥电压升高后就不能到达极板了。
总的来说到达极板的电子数减小，因此极板电流减小。
3实验中，取不同的灯丝电压V f 时，曲线I p －V G2应有何变化？为什么？答；灯丝电压变大导致灯丝实际功率变大，灯丝的温度升高，从而在其他参数不变得情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。
灯丝电压不能过高或过低。
因为灯丝电压的高低，确定了阴极的工作温度，按照热电子发射的规律，影响阴极热电子的发射能力。
灯丝电位低，阴极的发射电子的能力减小，使得在碰撞区与汞原子相碰撞的电子减少，从而使板极A 所检测到的电流减小，给检测带来困难，从而致使A GK I U -曲线的分辨率下降；灯丝电压高，按照上面的分析，灯丝电压的提高能提高电流的分辨率。
但灯丝电压高, 致使阴极的热电子发射能力增加，同时电子的初速增大，引起逃逸电子增多，相邻峰、谷值的差值却减小了。
二、 塞曼效应1、什么叫塞曼效应，磁场为何可使谱线分裂？答；若光源放在足够强的磁场中时，原来的一条光谱线分裂成几条光谱线，分裂的谱线成分是偏振的，分裂的条数随能级的类别而不同。
后人称此现象为塞曼效应。
原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成为原子的总磁矩。
总磁矩在磁场中受到力矩的作用而绕磁场方向旋进从而可以使谱线分离2、叙述各光学器件在实验中各起什么作用答；略3、如何判断F-P 标准具已调好？答；实验时当眼睛上下左右移动时候，圆环无吞吐现象时说明F-P 标准具的两反射面平行了。
实验二十三 夫兰克—赫兹实验
2．测量 U GK - IA 曲线，计算氩原子的第一激发电位 U0。 【实验步骤】 见附录。 【数据记录与处理】 1. 测试条件 灯丝电压（V） ： 第一阳极电压（V） ： 反向拒斥电压（V） ： 环境温度（℃） ： 2. “程控”状态下，计算机数据自动记录与绘图 3. “键控”方式下，记录数据并手工作图 4 2.5 7.5
IA (nA)
aCO源自b d U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7
U GK (V)
图 23-3 夫兰克-赫兹管 IA～ U G 2 K 曲线 系曲线。该曲线反映了氩原子在 KG 空间与电子进行能量交换的情况。当 KG 空间电压逐渐 增加时，电子在 KG 空间被加速而取得越来越大的能量。在起始阶段由于电压较低，电子的 能量较小（eU ＜E1 - E0） ，即使运动过程中电子与原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量远 小于氩原子质量，电子的能量几乎不会减少，穿过栅极电子形成的板极电流 IA 将随栅极电 压 U GK 的增加而增大，即图中 Oa 段。 当 KG 间的电压达到 U0 时，电子能量达到 eU0＜E1 - E0, 电子在栅极 G 附近与氩原子 之间将发生非弹性碰撞， 将自己从加速电场中获得的能量交给氩原子， 并使氩原子从基态被 激发到第一激发态。 而电子本身由于把能量给了氩原子， 即使穿过栅极也不能克服反向拒斥 电场而被折回栅极，板极电流 IA 将显著减小，如图中 ab 段。随着栅极电压 U GK 的增加，电 子的能量也随之增加，在与氩原子相碰撞后，一部分能量（E1 - E0）交换给氩原子，还留下 一部分能量足够克服反向拒斥电场而达到板极 A，这时板极电流 IA 又开始上升，即曲线中 的 bc 段，直到 KG 间的电压是 2U0 时，电子在 KG 空间会因与氩原子发生两次非弹性碰撞 而失去 2eU0 的能量，又造成了第二次板极电流的下降，即图中的 cd 段。同理，凡是在
近代物理实验内容及思考题
近代物理实验内容及思考题第一轮实验项目：一、 夫兰克—赫兹实验实验内容：1、 仪器的安装调试。
2、 逐点手动测量激发电位：在同一张坐标纸上作出I p ～V G2曲线，由曲线确定出各极值电位值。
求出氩原子第一激发态电位和测量误差。
3、 自动测量激发电位：在示波器上调出I p ～V G2曲线，直接读出氩原子第一激发态电位值。
4、 示波器观察分别改变减速电压V p 和灯丝电压V f 曲线I p －V G2应有何变化。
课后思考题：1、 解释曲线I p －V G2形成的原因。
2、 实验中，取不同的减速电压V p 时，曲线I p －V G2应有何变化？为什么？3、 实验中，取不同的灯丝电压V f 时，曲线I p －V G2应有何变化？为什么？二、塞曼效应实验内容：1、调整光路，从测量望远镜中可观察到清晰明亮的一组同心干涉圆环。
2、接通电磁铁稳流电源，缓慢地增大磁场B ，从测量望远镜中可观察到细锐的干涉圆环逐渐变粗，然后发生分裂。
旋转偏振片为00、450、900各不同位置时，观察偏振性质不同的π成分和σ成分。
3、选定干涉级K 和K-1的位置，测量干涉圆环直径，用特斯拉计测出磁场B ，根据下式求出电子的比荷（e/m ）值。
（标准值m e /=1.76⨯1011C/kg ） dB c D D D D m e K K a b π422122⋅--=-（式中d=5mm ） 4、观察沿磁场方向的塞曼分裂，将电磁铁旋转900，并抽出铁芯，放上1/4波片与偏振片，以区分左旋和右旋偏振光。
课后思考题：1、什么叫塞曼效应，磁场为何可使谱线分裂？2、叙述各光学器件在实验中各起什么作用?3、如何判断F-P 标准具已调好？4、实验中如何观察和鉴别塞曼分裂谱线中的π成分和σ成分？如何观察和分辨σ成分中的左旋和右旋偏振光？ 三、核磁共振实验内容：1、 观察氢核1H 的NMR 现象（1）分别改变不同实验条件（射频场强度、扫场电压、样品在磁极间的位置）观察吸收信号的变化；（2）比较掺入顺磁物质浓度不同的水样品，观察吸收信号的差别。
弗兰克赫兹含思考题
西安交通大学实验报告第 1 页〔共 9 页〕课程：_______近代物理实验_______ 实 验 日 期 ： 年 月 日 专业班号___ ___组别_______ 交报告日期： 年 月 日 姓 名__Bigger __学号_ _ 报 告 退 发 ： 〔订正、重做〕 同 组 者__ ________ 教师审批签字：实验名称：弗兰克-赫兹实验一、 实验目的1) 通过测氩原子第一激发电位，了解Franck 和Hertz 在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。
2) 了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
二、 实验仪器FH—1A 、Franck-Hertz 实验仪、示波器等。
三、 实验原理图1是充氩四极Franck-Hertz 实验原理图。
图1 Franck-Hertz 实验原理图电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述：22221111''2222e e m v MV m v MV E +=++∆ (2.1) 式中：m e ——原子质量； M ——电子质量； v ——电子碰撞前的速度； v ’——电子碰撞后的速度； V ——原子碰撞前的速度； V ’——原子碰撞后的速度； ΔE ——原子碰撞后内能的变化量。
按照波尔原子能级理论，ΔE = 0 弹性碰撞； ΔE = E 1 - E 0 非弹性碰撞；式中：E 0——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。
电子碰撞前的动能1/2m e v 2 < E 1 - E 0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE = 0，原子仍然停留在基态。
电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能1/2m e v 2 ≥ E 1 - E 0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值〔E 1 - E 0〕的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。
Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的。
弗兰克赫兹实验思考题2[详细讲解]
![弗兰克赫兹实验思考题2[详细讲解]](https://img.taocdn.com/s3/m/ced5b96c49d7c1c708a1284ac850ad02de8007ea.png)
弗兰克赫兹实验思考题2[详细讲解] 弗兰克赫兹实验思考题一、解释伏安特性曲线的奇特性。
1(玻尔提出的量子理论指出:? 原子只能较长久地停留在一些稳定状态(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，其数值是彼此分立的，这些能量值称为能级，最低能级所对应的状态称为基态，其他高能级所对应的态称为激发态。
原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能使原子由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E和E代表有关两定态的能量，辐射的频率ν确定于普朗克公式:mn (8-1) h,,E,Emn-34式(8-1)中的h为普朗克常数，其值为6.6260×10J?s。
为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定频率ν的光子来实现，也可以通过具有一定能量的电子与原子碰撞(非弹性碰撞)进行能量交换的方法来实现。
后者为本实验采用的方法。
设初速度为零的电子在电势差为V的加速电场作用下，获得eV的能量。
在充氩气的夫兰克—赫兹管中，具有一定能量的电子将与氩原子发生碰撞。
如果以E代表氩原子的基态能量，E代表氩原子的01第一激发态的能量，当电子与氩原子相碰撞时传递给氩原子的能量恰好是eV=E-E (8-2) 010则氩原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电势差V称为氩原子的0第一激发电位。
其他元素气体原子的第一激发电位也可以按此法测量得到。
1914年，夫兰克和赫兹首次用慢电子轰击汞蒸气中汞原子的实验方法，测定了汞原子的第一激发电位。
2(夫兰克—赫兹实验的物理过程本仪器采用的充氩四极夫兰克—赫兹管，实验原理如图8-1所示。
图8 -1 夫兰克—赫兹实验原理图管内有发射电子的阴极K，它由V通电加热管中的灯丝K而产生热电子发射。
F 管中还有用于消除空间电荷对阴极电子发射的影响同时提高电子发射效率的第一栅极G、用于加速电子的第二栅极G和收集电子的板极P。
弗兰克赫兹实验思考题
1.氩原子的特殊伏安特性曲线说明了什么？说明了原子存在能级，原子只能停留在一定的状态上，原子辐射是只能发射一定频率的光。
2.第一激发电位的物理含义是什么？如果以E0代表氩原子的基态能量，E1代表氩原子的第一激发态的能量，当电子与氩原子相碰撞时传递给氩原子的能量恰好是eV0=E1−E2则氩原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电势差V0称为氩原子的第一激发电位。
3.有没有第二，第三激发电位？有，从第一激发态跃迁到第二激发态相应的电势差就是第二激发电位。
4.弗兰克-赫兹实验的历史1913年，丹麦物理学家玻尔（N. Bohr）将量子概念应用于当时人们尚未接受的卢瑟福（E. Rutherfond）原子核结构模型上，并提出了原子结构的量子理论，成功地解释了氢光谱，为量子力学的创建起了巨大的推动作用。
但玻尔理论的定态假设与经典电动力学明显对立，而频率定则带有浓厚的人为因素，故当时很难为人们所接受。
正是在这样的历史背景下，1914年，两位德国的实验物理学家夫兰克（J. Frank）和赫兹（G. Hertz）采用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，利用两者的非弹性碰撞将原子激发到较高能态，通过测量电子与原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子能级的存在，并验证了频率定则，为玻尔理论提供了独立于光谱研究方法的直接的实验证明。
由于这项卓越的成就，这两位物理学家获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
夫兰克—赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。
所以在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。
5.正确的实验&错误的解释弗兰克和G.赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱产生的原因是原子或分子的电离，光谱频率ν与电离电势V有如下的量子关系：hν＝eV。
弗兰克和G.赫兹在 1914年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点，他们相信自己的实验无可辩驳地证实了斯塔克的观点，认为4.9V电势差引起了汞原子的电离。
他们也许因为战争期间信息不通，对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在论文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论。
弗兰克赫兹含思考题
交通大学实验报告第 1 页〔共 9 页〕课程：_______近代物理实验_______实 验 日 期 ：年月日 专业班号______组别_______交报告日期：年月日姓 名__Bigger__学号__报 告 退 发 ： 〔订正、重做〕 同 组 者__________教师审批签字：实验名称：弗兰克-赫兹实验一、 实验目的1) 通过测氩原子第一激发电位，了解Franck 和Hertz 在研究原子部能量量子化方面所采用的实验方法。
2) 了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
二、 实验仪器FH —1A 、Franck-Hertz 实验仪、示波器等。
三、 实验原理图1是充氩四极Franck-Hertz 实验原理图。
图1Franck-Hertz 实验原理图电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述：22221111''2222e e m v MV m v MV E +=++∆(2.1) 式中：m e ——原子质量； M ——电子质量； v ——电子碰撞前的速度； v ’——电子碰撞后的速度； V ——原子碰撞前的速度； V ’——原子碰撞后的速度； ΔE ——原子碰撞后能的变化量。
按照波尔原子能级理论，ΔE =0 弹性碰撞； ΔE =E 1 - E 0 非弹性碰撞；式中：E 0——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。
电子碰撞前的动能1/2m e v 2 < E 1-E 0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE=0，原子仍然停留在基态。
电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能1/2m e v 2 ≥E 1-E 0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值〔E 1 - E 0〕的能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。
Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的。
在充入氩气的F-H 管中〔如图2所示〕，阴极K 被灯丝加热发射电子，第一栅极〔G1〕与阴K 之间的电压V G1K 约为1.5V ，其作用是消除空间电荷对阴极K 的影响。
弗兰克赫兹实验思考
对氩原子第二激发电位的测量方法：
<1>改变接线：（1）G1,G2用导线相连，以确保G1,G2间的电势相等，（2）在K,G1间接入加速电压，让电子在开始碰撞前就完成加速。
有第一激发电位，也有第二激发电位。第二激发电位即原子中的一个外层电子从基态激发至第二激发态所需要的能量。
想要测量第二激发电位，就需要改变四极弗兰克赫兹管的接线方式，让碰撞区域是等电势区，电子进入碰撞区前，就加速到较高的能量，这样，就可以避免无法提高电子碰撞前最高能量的问题。
就这样，随着Ug2k的升高，伏安特性曲线整体升高，但呈现周期性波动的特性。
这样的伏安特性曲线说明了氩原子的能量状态是不连续的，即氩原子有分立的能级。
至于要考察氩原子的有多少激发态，则不能使用这样的接线方式：因为，我们所用的接线方式使得电子每加速到能使氩原子能量由基态跃迁到第一激发态时，其能量就被吸收了。没有办法观察到能量更高的能态。
弗兰克和G.赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱产生的原因是原子或分子的电离，光谱频率ν与电离电势V有如下的量子关系：hν=eV。
弗兰克和G.赫兹在 1914年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点，他们相信自己的实验无可辩驳地证实了斯塔克的观点，认为4.9V电势差引起了汞原子的电离。他们也许因为战争期间信息不通，对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在论文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论。其实，玻尔在得知弗兰克－赫兹的实验后，早在1915年就指出，弗兰克－赫兹实验的4.9V正是他的能级理论中预言的汞原子的第一激发电势。
弗兰克赫兹含思考题
西安交通大学实验报告成绩第 1 页（共 9 页）课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日专业班号___ ___组别_______ 交报告日期：年月日姓名__Bigger __学号_ _ 报告退发：（订正、重做）同组者__ ________ 教师审批签字：实验名称：弗兰克-赫兹实验一、实验目的1)通过测氩原子第一激发电位，了解Franck和Hertz在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。
2)了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。
二、实验仪器FH—1A、Franck-Hertz实验仪、示波器等。
三、实验原理图1是充氩四极Franck-Hertz实验原理图。
图1 Franck-Hertz实验原理图电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述：22221111''2222e e m v MV m v MV E +=++∆(2.1)式中：m e ——原子质量； M ——电子质量； v ——电子碰撞前的速度； v ’——电子碰撞后的速度； V ——原子碰撞前的速度； V ’——原子碰撞后的速度； ΔE ——原子碰撞后内能的变化量。
按照波尔原子能级理论，ΔE = 0 弹性碰撞； ΔE = E 1 - E 0 非弹性碰撞；式中：E 0——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。
电子碰撞前的动能1/2m e v 2 < E 1 - E 0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE = 0，原子仍然停留在基态。
电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能1/2m e v 2 ≥ E 1 - E 0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值（E 1 - E 0）的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。
Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的。
在充入氩气的F-H 管中（如图2所示），阴极K 被灯丝加热发射电子，第一栅极（G1）与阴K 之间的电压V G1K 约为1.5V ，其作用是消除空间电荷对阴极K 的影响。
弗兰克赫兹实验思考题
弗兰克赫兹实验思考题
弗兰克赫兹实验思考题是现代心理学界非常重要的一项心理实验，它影响了对记忆和思考过程的理解以及认知心理学后来的发展和研究。
它是美国心理学家弗兰克赫兹在四十年代初期提出的，它的目的是探索人类记忆和思维的机制。
实验的具体内容是，实验者要求记忆一组字母，然后再陆续地添加新的字母，要求实验者只记住最新添加的字母，而不要混淆它们与之前的字母。
实验结果发现，实验者多半能够准确地记住每一个新添加的字母，但是却无法记住之前曾经记住过的字母。
弗兰克赫兹实验思考题所表明的现象被称为“赫兹效应”，即人们存在着一种有限的记忆容量，只能记住最新获得的记忆，而无法记住较早以前的记忆。
实验表明，当记忆容量被足够多的信息填充时，较早的记忆会被淡忘，新的记忆才能得到传递。
赫兹实验思考题的发现给认知心理学带来了重要的突破，它首先改变了人们对记忆的理解，即记忆是有限的，记忆可以被新的信息替换掉，而不是一成不变的。
此外，赫兹实验思考题还为研究多因素作用于记忆的影响提供了重要的科学发现，比如人们可以通过增强感知的方式来提高记忆的效率，还可以通过多种手段来减少记忆负荷。
另外，研究还提出，人们不仅可以通过记忆来获取当前的信息，还可以通过思维来模拟已知的现象，或者进一步的思考来探究一个概念，从而演绎出新的现象。
同时，赫兹实验思考题也为人类思维提供了重要的实证，为人类思维尤其是智能算法提供了参考依据。
总而言之，弗兰克赫兹实验思考题对当今心理学研究和认知心理学的发展具有重要的意义，这项实验的发现可以指导我们对认知心理学中记忆和思维过程的理解，从而开展更深入的研究，为社会发展做出贡献。
弗兰克赫兹实验思考题（1）
弗兰克赫兹实验思考题（1）1、夫兰克-赫兹实验中，发⽣什么过程导致U-I 曲线？玻尔原⼦模型理论指出：1. 原⼦只能处在⼀些不连续的稳定状态（定态）中，其中每⼀定态相应于⼀定的能量Ei(i=1, 2, 3, …m …n)。
2．当⼀个原⼦从某定态Em 跃迁到另⼀定态En 时，就吸收或辐射⼀定频率的电磁波，频率的⼤⼩决定于两定态之间的能量差En —Em ，并满⾜以下关系：h ν=En —Em式中普朗克常数h=6.63×10-34J ·s 。
原⼦在正常情况下处于基态，当原⼦吸收电磁波或受到其他有⾜够能量的粒⼦碰撞⽽交换能量时，可由基态跃迁到能量较⾼的激发态。
从基态跃迁到第⼀激发态所需要的能量称为临界能量。
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，电⼦碰撞前后能量不变，只改变运动⽅向。
如果电⼦动能⼤于临界能量，则发⽣⾮弹性碰撞，这时电⼦可把数值为△E=En —E1的能量交给原⼦（En 是原⼦激发态能量，E1是基态能量），其余能量仍由电⼦保留。
如初始能量为零的电⼦在电位差为U0的加速电场中运动，则电⼦可获得的能量为eU0；如果加速电压U0恰好使电⼦能量eU0等于原⼦的临界能量，即eU0＝E2—E1，则U0称为第⼀激发电位，或临界电位。
测出这个电位差U0，就可求出原⼦的基态与第⼀激发态之间的能量差E 2—E 1。
原⼦处于激发态是不稳定的。
不久就会⾃动回到基态，并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其频率可由关系式h ν=eU0求得。
在玻尔发表原⼦模型理论的第⼆年(1914)，夫兰克(James Franck,1882—1964)和赫兹(Gustav Hertz,1887—1975)参照勒纳德创造反向电压法，⽤慢电⼦与稀薄⽓体原⼦（Hg ；He ）碰撞，经过反复试验，获得了图2的曲线。
实验原理如图3所⽰，在充氩的夫兰克-赫兹管中，电⼦由阴极K 发出，阴极K 和第⼀栅极G1之间的加速电压K G V 1 及与第⼆栅极G2之间的加速电压K G V 2使电图3 夫兰克-赫兹原理图⼦加速。
弗兰克—赫兹实验思考题答案
弗兰克—赫兹实验思考题答案之欧侯瑞魂创作[预习思考题]1、什么是能级？玻尔的能级跃迁理论是如何描述的？答：在玻尔的原子模型中，原子是由原子核和核外电子所组成，原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种分歧直径的轨道运动。
在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量，轨道分歧，能量的大小也不相同。
这些与轨道相联系、大小不连续的能量构成了能级。
当原子状态改变时，陪伴着能量的变更。
若原子从低能级Ｅn跃迁到高能级Ｅm，则原子需吸收一定的能量，该能量的大小为△E：△E＝Ｅm－Ｅn若电子从高能级Ｅm跃迁到低能级Ｅn，则原子将放出能量△E。
2、为什么I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流随U G2K的增大而增大？答：电子与汞原子的碰撞有一定的几率，总会有一些电子逃避了碰撞，穿过栅极而到达板极。
随着U G2K 的增大，这些电子的能量增大，因此在I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流也随着增大。
[实验后思考题]1、温度对充汞F－H管的I G2A－U G2K曲线有什么影响？答：当温度过大时，单位体积内的汞原子数增加，电子的平均自由程减小，电子与汞原子的碰撞次数增加，因此，在整个加速过程中，弹性碰撞的总能量损失相应增大，其I G2A 电流减小。
２、在I G2A－U G2K曲线上，为什么对应板极电流I G2K第一个峰的加速电压U G2K不等于4.9V？答：对应板极电流I G2K第一个峰的加速电压U G2K不等于4.9V的主要原因是：由于阴极与栅极不是由同一种资料组成，其间存在接触电势差。
如何利用该套实验设备测出汞原子的电离电势？答：利用该套实验设备丈量汞原子的电离电势的方法是：降低炉温，重新选择U G1K、U G2A，谨慎地选择灯丝电压，使得在第二个第一激发电位峰出现后即出现电离峰，以电离曲线中的第一个峰（对应 4.9V）为定标尺度，求出电离峰与第一峰的距离，即可知电离电位。
或在不改变温度的情况下，选择合适的U G1K、U G2A，遏止全部电子，将全部离子拉向板极，丈量离子电流与U G2K的曲线，则该曲线拐点处即为电离电位。
弗兰克赫兹实验思考题
1、夫兰克-赫兹实验中，发生什么过程导致U-I 曲线？玻尔原子模型理论指出：1. 原子只能处在一些不连续的稳定状态（定态）中，其中每一定态相应于一定的能量Ei(i=1, 2, 3, …m …n)。
2．当一个原子从某定态Em 跃迁到另一定态En 时，就吸收或辐射一定频率的电磁波，频率的大小决定于两定态之间的能量差En —Em ，并满足以下关系：h ν=En —Em式中普朗克常数h=6.63×10-34J ·s 。
原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受到其他有足够能量的粒子碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。
从基态跃迁到第一激发态所需要的能量称为临界能量。
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，电子碰撞前后能量不变，只改变运动方向。
如果电子动能大于临界能量，则发生非弹性碰撞，这时电子可把数值为△E=En —E1的能量交给原子（En 是原子激发态能量，E1是基态能量），其余能量仍由电子保留。
如初始能量为零的电子在电位差为U0的加速电场中运动，则电子可获得的能量为eU0；如果加速电压U0恰好使电子能量eU0等于原子的临界能量，即eU0＝E2—E1，则U0称为第一激发电位，或临界电位。
测出这个电位差U0，就可求出原子的基态与第一激发态之间的能量差E 2—E 1。
原子处于激发态是不稳定的。
不久就会自动回到基态，并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其频率可由关系式h ν=eU0求得。
在玻尔发表原子模型理论的第二年(1914)，夫兰克(James Franck,1882—1964)和赫兹(Gustav Hertz,1887—1975)参照勒纳德创造反向电压法，用慢电子与稀薄气体原子（Hg ；He ）碰撞，经过反复试验，获得了图2的曲线。
实验原理如图3所示，在充氩的夫兰克-赫兹管中，电子由阴极K 发出，阴极K 和第一栅极G1之间的加速电压K G V 1 及与第二栅极G2之间的加速电压K G V 2使电图3 夫兰克-赫兹原理图子加速。
弗兰克—赫兹实验思考题答案
弗兰克—赫兹实验思考题答案[预习思考题]1、什么是能级？玻尔的能级跃迁理论是如何描述的？答：在玻尔的原子模型中，原子是由原子核和核外电子所组成，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。
在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量，轨道不同，能量的大小也不相同。
这些与轨道相联系、大小不连续的能量构成了能级。
当原子状态改变时，伴随着能量的变化。
若原子从低能级Ｅn跃迁到高能级Ｅm，则原子需吸收一定的能量，该能量的大小为△E：△E＝Ｅm－Ｅn若电子从高能级Ｅm跃迁到低能级Ｅn，则原子将放出能量△E。
2、为什么I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流随U G2K的增大而增大？答：电子与汞原子的碰撞有一定的几率，总会有一些电子逃避了碰撞，穿过栅极而到达板极。
随着U G2K的增大，这些电子的能量增大，因此在I G2A －U G2K曲线上的各谷点电流也随着增大。
[实验后思考题]1、温度对充汞F－H管的I G2A－U G2K曲线有什么影响？答：当温度过大时，单位体积内的汞原子数增加，电子的平均自由程减小，电子与汞原子的碰撞次数增加，因此，在整个加速过程中，弹性碰撞的总能量损失相应增大，其I G2A电流减小。
２、在I G2A－U G2K曲线上，为什么对应板极电流I G2K第一个峰的加速电压U G2K不等于4.9V？答：对应板极电流I G2K第一个峰的加速电压U G2K不等于4.9V的主要原因是：由于阴极与栅极不是由同一种材料组成，其间存在接触电势差。
３、如何利用该套实验设备测出汞原子的电离电势？答：利用该套实验设备测量汞原子的电离电势的方法是：降低炉温，重新选择U G1K、U G2A，谨慎地选择灯丝电压，使得在第二个第一激发电位峰出现后即出现电离峰，以电离曲线中的第一个峰（对应4.9V）为定标标准，求出电离峰与第一峰的距离，即可知电离电位。
或在不改变温度的情况下，选择合适的U G1K、U G2A，遏止全部电子，将全部离子拉向板极，测量离子电流与U G2K的曲线，则该曲线拐点处即为电离电位。
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弗兰克赫兹实验思考题
一、解释伏安特性曲线的奇特性。
1．玻尔提出的量子理论指出：
⑴ 原子只能较长久地停留在一些稳定状态（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，其数值是彼此分立的，这些能量值称为能级，最低能级所对应的状态称为基态，其他高能级所对应的态称为激发态。
原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能使原子由一个定态跃迁到另一个定态。
⑵ 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E m 和E n 代表有关两定态的能量，辐射的频率ν确定于普朗克公式：
n m E E h -=ν （8-1）
式（8-1）中的h 为普朗克常数，其值为6.6260×10-34J ·s 。
为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定频率ν的光子来实现，也可以通过具有一定能量的电子与原子碰撞（非弹性碰撞）进行能量交换的方法来实现。
后者为本实验采用的方法。
设初速度为零的电子在电势差为V 的加速电场作用下，获得eV 的能量。
在充氩气的夫兰克—赫兹管中，具有一定能量的电子将与氩原子发生碰撞。
如果以E 0代表氩原子的基态能量，E 1代表氩原子的
第一激发态的能量，当电子与氩原子相碰撞时传递给氩原子的能量恰好是
eV 0=E 1-E 0 （8-2）
则氩原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电势差V 0称为氩原子的
第一激发电位。
其他元素气体原子的第一激发电位也可以按此法测量得到。
1914年，夫兰克和赫兹首次用慢电子轰击汞蒸气中汞原子的实验方法，测定了汞原子的第一激发电位。
2．夫兰克—赫兹实验的物理过程
本仪器采用的充氩四极夫兰克—赫兹管，实验原理如图8-1所示。
图8 -1 夫兰克—赫兹实验原理图
管内有发射电子的阴极K ，它由V F 通电加热管中的灯丝K 而产生热电子发射。
管中还有用于消除空间电荷对阴极电子发射的影响同时提高电子发射效率的第一栅极G 1、用于加速电子的第二栅极G 2和收集电子的板极P 。
图8-2 F —H 管空间电位分布
在充氩气的管中，电子由热阴极K 发出，阴极K 和栅极G 2之间的可调加
速电压2G V 使电子加速。
在板极P 和栅极G 2之间加有反向拒斥电压（减速电压）
V P 。
管内空间电位分布如图8-2所示。
当电子通过KG 2空间进入G 2P 空间时，如
果具有足够克服反向拒斥电场做功而达到极板P 的能量，就能冲过G 2P 空间达到
极板，形成极板电流I P ，被微电流计检出。
如果电子在KG 2空间与氩原子碰撞，
把自己一部分能量给了氩原子而使原子激发，而电子所剩的能量不足以克服拒斥电场就会被迫折回到栅极。
这时通过微电流计的电流将显著减小。
实验时，使栅极电压2G V 逐渐增加并
观察微电流计的电流指示。
如果原子能级
确实存在，而且基态与第一激发态之间有
确定的能量差，就能观察到如图8-3所示
的2G V -I P 的关系曲线。
该曲线反映了氩
原子在KG 2空间与电子进行能量交换的情
况。
当KG 2空间电压逐渐增加时，电子在
KG 2空间被加速而取得越来越大的能量。
在起始阶段由于电压较低，电子的能量较
小（eV ＜E 1 - E 0），即使运动过程中电子与原子只能发生弹性碰撞，由于电子质
量远小于氩原子质量，电子的能量几乎不会减少，穿过栅极电子形成的板极电流I P 将随栅极电压2
G V 的增加而增大，即图中oa 段。
图中oa 段前的Oo 段电压是夫兰克—赫兹管的阴极K 和栅极G 2之间由于存在接触电位差而出现的。
图中的接
触电位差V C 是正的，它使整个曲线向右平移。
如果接触电位差V C 是负的，整个曲线向左平移。
当KG 2间的电压达到（V 0+V C ）时，电子能量达到e （V 0 + V e ）＜E 1 - E 0,电子在栅极G 2附近与氩原子之间将发生非弹性碰撞，将自己从加速电场中获得的能
量交给氩原子，并使氩原子从基态被激发到第一激发态。
而电子本身由于把能量给了氩原子，即使穿过栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回栅极，板极电流I P 将显著减小，如图中ab 段。
随着栅极电压2
G V 的增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子相碰撞后，一部分能量（E 1-E 0）交换给氩原子，还留下一部分能量
足够克服反向拒斥电场而达到板极P ，这时板极电流I P 又开始上升，即曲线中的
bc 段，直到KG 2间的电压是（2V 0+V C ）时，电子在KG 2空间会因与氩原子发生两
次非弹性碰撞而失去2eV 0的能量，又造成了第二次板极电流的下降，即图中的
cd 段。
同理，凡是在
2G V =nV 0+V C （8-3）
式中n 是正整数的条件下，板极电流都会相应地下降，形成规则起伏变化的曲线。
而各次板极电流开始下降，即曲线的各峰之间相应的阴极和栅极间电位差（2G V ）
图8-3 2G V —I P 曲线
n +1-（2G V ）n 应该是氩原子的第一激发电位V 0
（对氩原子，公认值为V 0=11.55V ）。
由此证实原子确实有不连续的能级存在。
实验中因为K 极发出的热电子能量服从麦克斯韦统计分布规律，因此2G V -I P 图中的板极电流下降不是陡然的。
在I P 极大值附近出现的峰有一定宽度。
二、什么叫第一激发电位，有没有第二激发电位，如果有怎么测？
第一激发电位：如果以E 0代表某原子的基态能量，E 1代表该原子的第一激
发态的能量，当电子与该原子相碰撞时传递给此原子的能量恰好是eV 0=E 1-E 0 则此原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电势差V 0称为这个原子的第
一激发电位。
第二激发电位：从第一激发态跃迁到第二激发态相应的电势差就是第二激发电位。
测量第二激发电位：在弗兰克赫兹的实验中，由于加速区和碰撞区在一起，那就使得电子的能量难以超过4.9eV ，因为一旦电子被加速到4.9eV ，就将与汞原子碰撞而失去能量，这样就无法使汞原子受激到更高的能级，以致只能测得汞原子的第一激发电势。
三、 弗兰克赫兹实验的历史
1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核模型。
1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。
电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。
随着英国物理学家埃万斯（E.J.Evans ）对光谱的研究，玻尔理论被确立。
但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。
弗兰克和赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱产生的原因是原
子或分子的电离，光谱频率ν 与电离电势U 有如下的量子关系：h ν = eU 。
弗兰克和赫兹在 1914 年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点，他们采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发，但他们相信自己的实验无可辩驳地证实了斯塔克的观点，认为4.9V 电势差引起了汞原子的电离。
他们也许因为
战争期间信息不通，对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在论文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论。
其实，玻尔在得知弗兰克－赫兹的实验后，早在1915 年就指出，弗兰克－赫兹实验的4.9V 正是他的能级理论中预言的汞原子的第一激发电势。
1919 年，弗兰克和赫兹表示同意玻尔的观点。
1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。
弗兰克在他的诺贝尔奖领奖词中讲道:“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，我们所作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。
我们清楚地知道，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。
”夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。
所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。
四、管中还能充什么其它气体，为什么？
汞蒸气或其他稀有气体。
因为汞是单原子分子，结构简单，而且在常温下是液态，只要改变温度就能大幅度改变汞原子的密度，同时还由于汞的原子量大，电子与其原子碰撞时，能量损失极小。
五、能否用三极管？三极管与四极管的优缺点。
能。
电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场。
电子多穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流计测量。
三极管缺点是放大糸数不高，极间电容较大而不适用高频放大。
高频放大时特别是屏-栅之间的电容会使屏极电路与栅极电络耦合起来造成交流通路，以致电子官放大后的输出电压反馈到栅极电络去，破坏官子正常工作。
此外，屏阴间电容、栅阴间电容也会影响高频工作性能。
四极管是为了克服三极管上述缺点而制造的。
它多了一个帘栅极g2和抑制极[束射极]g3，g2起屏蔽电场作用，减少屏压对屏流的影响。
因此其静态屏极特性曲线较平坦，内阻也比三极管的大，g1控制能力与三极管差不多。