弗兰克赫兹实验

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）。 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。
(JAMES FRANCK)
(GUSTAV HERTZ)
原子内部能量量子化证据: (1) 原子光谱分立性 ; (2) 夫兰克-赫兹实验
IA
(nA)
e c a b o o V1 d V2 V3
V4
V5
V6
VG2K
图2-2-4 夫兰克—赫兹管的IA～VG2K曲线
实验内容及操作步骤
实验内容
用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一 激发电位，并做比较。 分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F—H实验曲线的影 响。 了解计算机数据采集、数据处理的方法。
E2
h
h
hc
E1
hc 1.24 AKeV 2530 A E 4.9eV

E
实验＝2537A
实验与理论符合非常好
二. 较高激发电势的测定
1. 实验装置及实验原理
1920年, Franck改进实验装置
K G1
Hg
K
Hg
GA
V
0.5 V
A
G2 A
K：旁热式热阴极，均匀发 射电子，提高能量测量精度
一. 第一激发电势的测定
1.实验目的：验证原子能量的量子化。 2.实验原理（结合装置介绍）：
GA
Hg
K
K：热阴极，发射电子
KG区：电子加速，与Hg原 子碰撞
A
0.5 V
V
夫兰克-赫兹实验装置
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
夫兰克-赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞。电子由 阴级K发出，K与栅极G之间有加速电场，G与接收极A之间有减速电场。当 电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场， 就成为电流计的电流。
注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏的电 压，用于消除阴极电子散射的影响。
设氩原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零 的电子在电位差为V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种 能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eV<E1-E0时，电子与氩 原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氩原子质量小得多，电子 能量损失很少。如果eV≥E1-E0=ΔE，则电子与氩原子会产生非弹性 碰撞，氩原子从电子中取得能量ΔE，而由基态跃迁到第一激发态， ΔE=eVC。相应的电位差VC即为氖原子的第一激发电位。 在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下 图所示的变化曲线.
操作步骤
正确认识电路连接及原理； 启动预热；（注：预热开始，就必须设定好以下几
个值：V灯、VG1K、VG2A，根据仪器给定参数设定， VG2K=30v）
正式测量；手动测试；联机测试。
注意事项
不许拔下仪器前面板上的导线，进行违规连 接，以免发生短路，损坏仪器。
在设定各电压值时，必须在给定的量程或范 围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏 仪器或不能准确显示。
实验原理
V 灯丝
充氩夫兰克-赫兹管的 基本结构见右图。电子由 阴极K发出，阴极K和第一 电子 栅极G1之间的加速电压 VG1K及与第二栅极G2之间 氩原子 的加速电压VG2K使电子加 速。在板极A和第二栅极G2 之间可设置减速电压VG2A。
K
VG1K
VG2K
G1
G2
A μ A
VG2A
夫兰克—赫兹管结构图
夫兰克-赫兹实验
历史背景及意义
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。随后，在1914年，德国科学家夫兰克和 他的助手赫兹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，从而为玻尔原子 理论提供了有力的证据。
7、在F-H管的I-U曲线上第一个峰的位置，是否对应于 氩原子的第一激发电位？
E2
4.9 eV
1eV 1.60 10 19 库仑 1伏特 1.60 10 19 焦耳
E1
4. 结果讨论
汞原子从基态到第一激发态的激发电势为4.9V，则 第一激发能 (Excited Energy) 为
E E2 E1 4.9eV
若原子从第一激发态跃迁到基态，放出能量，则
1.实验装置及原理
K，K1：发射电子的热阴极 G：圆柱形金属网； A：圆柱形阳极，G，A同电位。 G1: 金属网
A
K
K1
G
G1
A
V
实验装置
氩管夫兰克—赫兹管
特点：采用充氩夫兰 克--赫兹管，比以前 使用充汞管方式有了 重大改进，去掉了较 为落后的灯管加热炉 装置，即便于操作， 又避免了由于温度控 制不精确而对实验造 成的误差、以及汞蒸 气对人体及环境的污 染。
3. 实验结果
I
9.0V
4.1V
13.9V
理论解释：
Ee 4.9 eV 弹性碰撞，电子几乎不损 失能量 Ee 4.9 eV 非弹性碰撞，电子损失能 量，激发Hg原子 U n 4.9 V n 1, 2, 3,
电子经过 n 次加速和非弹性碰撞， 能量全部损失，电流最小。
U
4.9 V
A
V
0.5 V
KG1区：电子加速
G1G2区：电子与原子碰撞 G2A区：电子减速
夫兰克-赫兹实验装置
1924年，Hertz测得4.9 eV以上的高激发能
2. 实验结果 （见P45, 图2.12）
三. 电离电势的测定
电离：如果给原子足够大的能量，可以使原子中的电子离 去，叫电离。 电离电势：从中性的原子把一个电子电离出去需要的电压。
E
VC V C 0 VC 0
0
V2-V1
V2 V3-V1 V4-V1
V3
V4
V5
UGK
V5-V1
数据处理示意图
思考与讨论
1、能否用氢气代替氩气？为什么? 2、为什么I-U曲线不是从原点开始? 3、为什么 I不会降到零? 4、为什么I的下降不是陡然的?
5、在F-H实验中，得到的I-U曲线为什么呈周期性变化？ 6、在F-H管内为什么要在板极和栅极之间加反向拒斥 电压？
数据处理
根据手调“栅压调节”做出的IA-----VG2K曲线和计 算机显示所显示的曲线，求出各峰所对应的电压值，用 逐差法求出氩原子第一激发电位，并与公认值VC0=11.5V 伏比较，求出测量误差。
Vn1 V1 Vc [(V2 V1 ) (V3 V1 ) / 2 ]/ n n