北京大学 弗兰克-赫兹实验报告(F-H)
弗兰克—赫兹实验报告
弗兰克—赫兹实验一.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．实验原理玻尔提出的原子理论指出：原子只能较长地停留在一些稳定的状态。
原子在这种状态时，不发射或吸收能量。
各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔得。
原子的能量不论通过什么方式改变，它只能从一个状态跃迁代另一个状态。
原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时，辐射的频率是一定的。
于是有如下关系：n E m E hv -=，式中，h 为普朗克常数。
为了使原子从低能级想高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与燕子相碰撞进行能量交换的办法来实现。
图1 弗兰克-赫兹管结构图夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K ，板极A ，G 1 、G 2分别为第一、第二栅极。
K-G 1-G 2加正向电压，为电子提供能量。
1G KU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e 2G AU ，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。
当电子的能量达到∆E ，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。
∆E 称为临界能量。
3. G 2-A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。
若电子进入此区间时的能量小于eU G2A 则不能达到板极。
由此可见，若eU G2K <∆E ，则电子带着e U G2K 的能量进入G 2-A 区域。
随着U G2K 的增加，电流I 增加（如图2中Oa 段）。
弗兰-克赫兹(F-H)实验实验报告
VG2K V
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IA nA
1.2 1.8 2.2 2.3 2.2 1.9 1.4 1.1 1.0 1.7 3.9 6.9 9.5
VG2K V
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IA nA
11.0 11.1 9.7 6.8 3.7 1.7 1.1 2.3 6.7 14.1 20.9 25.2 26.7
② VG1 ，VF 不变，VA 增大 如图 3 所示，拒斥电压 VA 增大，峰变窄而谷变宽，整个曲线向右移动。原因：根据能量守恒定律，电 子必须以一定速度穿过栅极 G2 才能到达板极 A 形成板极电流。当 VA 偏小时，其对电子的筛选作用小，从 而使峰谷差距较小。当 VA 增大时，其对电子的筛选作用增大，从而使峰谷差距变大；
VG2K V
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45
46
47
48
49
50
51
52
IA nA
25.1 19.9 12.5 6.4 3.1 2.9 7.3 17.3 28.0 36.4 41.3 42.4 39.0
VG2K V
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54
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57
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60
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65
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68
IA nA
31.8 22.6 14.4 9.2 8.3 13.9 23.7 34.5 50.0 44.8 37.4 29.0 22.2
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。
实验报告 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-赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持，那么，下面是给大家整理收集的弗兰克赫兹实验报告内容，供大家阅读参考。
弗兰克赫兹实验报告内容1仪器弗兰克-赫兹管(简称F-H管)、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、微机X-Y记录仪。
F-H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。
为了使F-H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F-H管置于控温加热炉内。
加热炉的温度由控温装置设定和控制。
炉温高时，F-H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。
温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。
辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。
F-H管电源组用来提供F-H管各极所需的工作电压。
其中包括灯丝电压UF，直流1V~5V连续可调;第一栅极电压UG1，直流0~5V连续可调;第二栅极电压UG2，直流0~15V连续可调。
扫描电源和微电流放大器，提供0~90V的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为F-H管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。
微电流放大器用来检测F-H管的板流，其测量范围为10^-8A、10^-7A、10^-6A三挡。
微机X-Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。
供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。
原理玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……，处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。
原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是使原子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时，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。
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报告内容1仪器弗兰克-赫兹管(简称F-H管)、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、微机X-Y记录仪。
F-H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。
为了使F-H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F-H管置于控温加热炉内。
加热炉的温度由控温装置设定和控制。
炉温高时，F-H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。
温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。
辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。
F-H管电源组用来提供F-H管各极所需的工作电压。
其中包括灯丝电压UF，直流1V~5V连续可调;第一栅极电压UG1，直流0~5V连续可调;第二栅极电压UG2，直流0~15V连续可调。
扫描电源和微电流放大器，提供0~90V的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为F-H管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。
微电流放大器用来检测F-H管的板流，其测量范围为10^-8A、10^-7A、10^-6A三挡。
微机X-Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。
供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。
原理hv=|Em-En|(1)式中:h为普朗克常量。
原子从低能级向高能级跃迁，也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来实现。
本实验即让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。
设汞原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是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eU，若eU小于E2-E1这份能量，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。
弗兰克赫兹实验__北大物理学院普物实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告一、数据处理1.汞管（1）实验数据如下：将数据作图如下：（2）根据实验数据，找到各个峰值对应的电压，并列表如下：由最小二乘法得到第一激发电位V，相关系数r=0.99978，由书上（7.13）式计算得到，故最终结果表示为V2.氩管（1）实验数据如下：（为了对进行控制，我调大了）将数据作图如下：(2) 根据实验数据，找到各个峰值对应的电压，并列表如下：由最小二乘法得到第一激发电位V，相关系数r=0.99964，由书上（7.13）式计算得到，故最终结果表示为V二、思考题利用汞管进行实验。
在第一部分中已列出了条件下的汞管的实验数据。
现将改变后的另两组实验数据列表如下，后两组数据只测了第5、第6两个峰。
（1）（2）将以上三种条件下的Hg管数据作图如下：当增大时，曲线高度下移，并且峰向右偏移。
原因分析：当增大时，电子需要更高的能量才能到达p极板，故此时能到达p极板的电子减少，则电路中电流减小，则曲线高度下移；曲线峰向右偏移的原因，我并不是十分清楚，我认为可能与电子的速率分布有关。
当加速电压刚达到第一激发电位时，只有一部分电子可以达到足以发生“非弹性碰撞”的速率，而另一部分电子速率还要更低一些，有的电子速率还不足以使其越过g2p的减速电场，加速电压继续增大时会将这部分电子继续加速使其可以达到p极板使电流增大，而达到足以发生“非弹性碰撞”的速率的电子也会增加，使电流减小，两种因素共同作用决定曲线的峰值。
当增大时，会使前一种作用的影响变得更大，而对后一种作用几乎没有影响，故峰会向右偏移。
三、分析与讨论1.各种曲线都具有周期性，而随着加速电压的增大，总的电流呈增大趋势，每个峰都比前一个峰更高，每个谷也比前一个更高。
呈现这种现象的原因：随着加速电压的增大，电子动能增加，能到达p极板的电子数增加，电流增大；当达到一定的动能时，电子会与管中气体发生“非弹性碰撞”，使其发生激发，则电子损失动能，不再能到达p极板，电流减小；这便是曲线呈周期性的原因。
弗兰克赫兹实验实验报告
[实验内容]
1、如果采用 Hg 管，将炉温设置为 180℃；如果采用 Ar 管，则 不必加热。 2、连接电路。 3、将各个电源的输出调至最小；扫描电源选择“手动”。根据 实验室提供的参考数据，设置微电流放大器的量程，极性选“－”， 用数字式电压表测量 Uout。 4、根据实验室提供的参考数据，分别设置好 UF、UKg1、Ug2p， 预热 3~5min。 5、缓慢调节“手动调节”电位器，增大加速电压；并注意观察 微电流计指示，可观察到峰谷信号。 6、调节各参量，测量 Uout-UKg2 曲线。 7、作图，测出各峰值扫描电压值，用最小二乘法计算第一激发 电位及其标准差。 8、改变减速电压 Ug2p 对实验有何影响，并用实验验证。
2、粗侧
峰序号 峰位置/V 1.0 16-17 2.0 27-29 3 39-41 4 50-52 5 63-65 6 76-78
3、精测
UKG2/V Uout/mV UKG2/V Uout/mV UKG2/V Uout/mV UKG2/V Uout/mV UKG2/V 0.0 -7.3 11.1 16.2 16.0 56.7 20.0 15.9 25.6 2.0 -7.3 12.0 31.2 16.5 58.1 21.0 2.1 26.1 5.0 -7.3 13.0 46.8 17.1 57.1 22.1 -4.0 26.6 7.0 -7.3 14.0 61.1 17.5 53.8 23.0 5.6 27.0 8.0 -5.9 14.5 57.9 18.0 49.6 24.0 41.4 27.5 9.0 -5.5 15.0 46.4 18.6 40.2 24.5 60.4 28.0 10.0 2.0 15.5 53.9 19.1 33.1 25.3 77.6 28.5
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.当原子吸收或放出电磁辐射时或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，电子给予原子以临界能量，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（G1）、阴极之间加上一电压U G1K(一栅、阴电压）。
如果此时在第二栅极（G2）、阴极间也加上一电压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)只有微小的能量交换。
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 A）板流(习惯叫法，即阳极电流)将随2栅的电压U G2K的增加而增大,当U G2K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. 所以板极电流I A将显著减小，以后随着二栅电压U G2K的增加，电子的能量也随着增加，与氩原子相碰撞后还留下足够的能量。
弗兰克-赫兹实验报告
大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验实验题目：弗兰克赫兹实验实验器材：F －H 实验管、恒温加热电炉、F －H 实验装置、示波器。
实验内容：1．熟悉实验装置，掌握实验条件。
该实验装置由F －H 管、恒温加热电炉及F －H 实验装置构成，其装置结构如下图所示：F-V 管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。
一般温度在100 ºC 至250 ºC 。
并且由于Hg 对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。
灯丝电压控制着阴极K 发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个峰的位置，是一个关键的条件。
2．测量Hg 的第一激发电位。
1）起动恒温控制器，加热地F-H 管，使炉温稳定在157 ºC ，并选择合适的灯丝电压，V G1K =2.5V ，V G2p =1.5V ，V f =1.3V 。
2）改变V G2k 的值，并记录下对应的Ip 值上（每隔0.2V 记录一个数据）。
3）作数据处理，作出对应的Ip-V G2k 图，并求出Hg 的第一激发电位（用逐差法）。
3．测Ar原子的第一激发电位。
1）调节好相关的数据：V p=8.36V，V G1=1.62V，V G2k=0~100V，V f=2.64V；2）将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的Ip-V G2k图，是否符合实验要求（有六个以上的波峰）。
再将相关档位调到手动档位。
3）手动改变V G2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.05V记录一个数据）。
4）作数据处理，作出对应的Ip-V G2k图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。
4．得出结论。
原始数据:1. V f=1.3V V G1K=2.5V V G2p=1.5V T=157ºC求汞原子的第一激发电位的数据表2. V p=8.36V V G1=1.62V V G2k=0~100V V f=2.64V求Ar原子的第一激发电位的数据表数据处理：1．求Hg原子的第一激发电位。
弗兰克—赫兹实验报告
实验名称：弗兰克—赫兹实验 实验原理：用加速到一定能量的电子轰击原子使原子发生跃迁，跃迁的同时电子失去能量而减速，碰撞后电子的速率分布发生变化，测量到达的高速电子的数量，就可以知道有多少电子因为是原子跃迁而失去能量，间接测出了原子吸收的能量的大小，就反应出了跃迁所需的能量。
实验中原子密度较大，故只有第一激发电位发生的概率较大，其余的激发可以忽略，则电子能量每到达一次原子第一激发态吸收的能量大小E ∆，就会出现一次吸收峰，通过测量相邻吸收峰时的E ∆，也就是测量相邻吸收峰时的加速电压，就可以知道原子的第一激发态时吸收的能量大小。
实验用的装置如右图，通过灯丝加热K 使其发射电子，G 1控制通过G 1的电子数目，G 2加速电子，G 1、G 2空间较大，提供足够的碰撞概率，A 接收电子，AG 2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。
用汞进行实验测得与右下图相似的曲线。
汞的第一激发电位为 4.9V,实验中电压每到 4.9V 的n 倍就多一次吸收，故出现一个吸收峰，实验内容：一、汞的F-H 实验 测汞的第一激发电位（测I P -V G2曲线，由曲线确定第一激发电位），测六到八个峰测量条曲线，V G2上升测一条，V G2下降测一条分别由峰间距求汞的第一激发电位。
二、氩的F-H 实验 示波器观察氩的I P -V G2曲线，手动测氩的I P -V G2曲线。
实验步骤：一、汞的F-H 实验1．先将温度调到设定值，打开温控开关加温指示灯on 亮（绿色），到设定温度off 指示灯亮（红色），红灯亮过一次即可开始实验。
2.了解接线，将V p ,V G1K ,V G1P ,V G2K ,调至最小，到设定温度时再打开两仪器电源，稳定5分钟，然后据炉上标签设定各电压值，用“手动”挡测曲线，电流过量程时更换电表量程。
3.先手动调节电压观察电流随电压的变化，选适当量程从某一电压起每隔0.5V记录一组I P -V G2数据，随V G2上升测一条至约六到八个峰，再随V G2下降记录数据。
弗兰-克赫兹(F-H)实验实验报告
a bc d
VG2K
的加速电压VG2K ，把 n 作为自变量，把对应的VG2K 作
O Va
Vb Vc Vd 图1
Va+6 V0
IA～ VG2K 曲线
为因变量，通过最小二乘法或其他方法求出VG2K -n 线
性函数的斜率就可得到V0 。
实验内容与数据处理
② VG1 ，VF 不变，VA 增大 如图 3 所示，拒斥电压 VA 增大，峰变窄而谷变宽，整个曲线向右移动。原因：根据能量守恒定律，电 子必须以一定速度穿过栅极 G2 才能到达板极 A 形成板极电流。当 VA 偏小时，其对电子的筛选作用小，从 而使峰谷差距较小。当 VA 增大时，其对电子的筛选作用增大，从而使峰谷差距变大；
大学物理实验报告
表 2 各电流峰值对应的VG2K 记录表
峰值序号 n
1
2
3
4
5
6
V 峰值电压 G2K V
17.3 27.6 39.0 50.8 63.0 76.1
根据表 2 数据，利用最小二乘法计算氩原子的第一激发电位
n 1 2 3 4 5 6 3.5 6
VG2K
17.3 27.6 39.0 50.8 63.0 76.1 6
11.76(V)
最佳截距Va VG2K V0 n 45.63-11.76 3.5=4.47(V)
应变量VG2K 的实验标准差 S VG2K 计算：
大学物理实验报告
S VG2K
1 62
6
VG2Ki
i 1
Va V0ni
2
17.3 4.47 11.76 1 2 27.6 4.47 11.76 2 2
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
F-H实验报告
实验报告：弗兰克-赫兹实验一、实验题目：弗兰克-赫兹实验二、实验目的：熟悉实验装置，掌握实验条件，测量汞和氩的第一激发电位。
进一步理解实验原理，掌握实验方法。
三、实验原理：1.实现原子从低能级到高能级的跃迁,可以使具有一定能量的电子和原子发生碰撞.若与之发生碰撞的电子是在电势V 的加速下,速度从零增加到v ,则当电子的能量满足:221mv eV E E E n m ==-=∆时,电子将全部的能量交换给原子.由于两个能级之间的能量差是有确定的值,对应的电压就有确定的大小,当原子吸收电子的能量从基态跃迁到第一激发态时,相就的电压值称为原子的第一激发电位.实验中就是测量汞原子的第一电位差. 2.Hg 原子能级 其中6（0ev ）为基态，63P1（4.9ev ）为激发态，63P0（4.7ev ）、63P2（5.47ev ）为亚稳态3.实验中用F-H管来测量汞原子的第一激发电位.原理图如下:F-H管内先注入少量汞，再抽成真空，在一定温度下，得到合适压强的汞蒸气。
电子由阴极K 出发，受第二栅极G2正电压作用加速，在管中与汞原子碰撞。
逐渐增加KG2电压，观察屏极电流。
发现电流逐渐增加，但每增加4.9V ，都出现一次电流陡降。
第一次陡降出现在4.1V 左右，是由于仪器的接触电势所致。
具有4.9eV 的电子与汞原子碰撞，将全部能量传递给汞原子，使其处于4.9eV 的激发态。
再增大电压，电子在F-H 管中发生第二次、第三次…碰撞，屏极电流都会陡降。
G1的作用： 控制电子束电流并消除阴极附近电子聚集。
屏极A 与G2间有负电压，使得与汞原子发生非弹性碰撞二损失了能量的电子不能到达A 极。
而G1与G2间距较大，使电子与气体有较大的碰撞区域。
F-H 管内充汞，灯丝加热K 使其发射电子，G1控制通过G1的电子数目，G2加速电子，G1,G2空间较大，提供足够的碰撞概率，A 接收电子，AG2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。
F-H实验报告(完整版)
IP
0.272 35.0 0.285 38.5 0.227 42.0 0.480 45.5 0.586 49.0 0.257
0.283 35.5 0.272 39.0 0.253 42.5 0.506 46.0 0.481 49.5 0.285
0.293 36.0 0.260 39.5 0.282 43.0 0.527 46.5 0.443 50.0 0.329
实验报告要求
一．实验名称：弗兰克-赫兹实验
二．实验目的：
1.观察电子和原子碰撞能量转移量子化现象 2.测量氩原子第一激发电位 3.加深对原子能级概念的理解
三．实验原理
1.玻尔原子理论
（1）定态假设（能级）
原子处于一些不连续的稳定态（定态）。能量分立：
E1为基态，其余E2 ,... ， En为 激发态。
G U 电子通过 K
2 空间后，若能量 e
I G2P ，可冲过拒斥电场到板极形成板流（
）。
p
U I U 实验时， G2K 由零逐渐增加，观测板流，得到 p ~ G2K 曲线。
U 在曲线原点， E e G2P 时：电子未能到达极板P形成电流。
U U 在o点~a点段， E e G2P 时：电子到达板级P形成电流，且随着 G2K 的增大，能够到达的电子数量越来越多，
灯丝电压的改变自会影响激发出的电子数目。在其他条件不变的情况下，改变灯丝电压，F-H实验曲线基本不移动。
10
v
9.5
10-3
v
uB 0.1v
u
u
2
A
2
uB
9.510-3 2 0.12v 0.1v
U U G2K
G2K u (11.5 0.1)v
弗兰克-赫兹实验报告
实 验 报 告 评分实验题目：弗兰克-赫兹实验实验目的：用电子碰撞原子，观察和测量汞的激发电位和电离电位，从而证明原子能级的存在实验内容：一、测量汞的第一激发电位启动恒温控制器，加热F-H 管，使炉温稳定在154C o ，调节灯丝电压，使得122, 2.6,0.5f G K G p V V V V V V ===。
2G k V 每隔0.5V 测量一次P I ，绘制曲线如下： 010*********.00000000.00000020.00000040.00000060.00000080.00000100.00000120.0000014I P (υA )V G2k (V)由图象测量各邻峰间距：1212233445566778894.5, 4.5, 5.0, 5.1, 4.4, 5.1, 5.0,5.5, 4.4V V V V V V V V V V V V V V V V V V---------∆=∆=∆=∆=∆=∆=∆=∆=∆= 取算术平均值，得 4.875V V ∆=因此，测得汞的第一激发电位为4.875V 。
二、测量氩的第一激发电位调节灯丝电压，使得12.59, 1.68,12.8f G p V V V V V V ===。
2G V 每隔示数的0.1V 测量一次P I ，绘制曲线如下： 020*********246810I P (10n A )V G2k (V)由图象测量各邻峰间距：121223344512.1,11.0,11.9,13,12.2V V V V V V V V V V -----∆=∆=∆=∆=∆= 取算术平均值，得12.04V V ∆=因此，测得汞的第一激发电位为12.04V 。
思考题：1、灯丝电压的大小对曲线有何影响？答：影响表现为：灯丝电压增大，曲线上移。
灯丝电压增大，曲线的第一峰位左移。
2、说明温度对汞F-H 管实验曲线影响的物理机制。
答：炉温改变时,汞原子饱和蒸汽压P 发生改变,从而引起电子与汞原子碰撞平均自由程λ的变化。
实验一夫兰克-赫兹实验（参考报告）
实验⼀夫兰克-赫兹实验（参考报告）弗兰克赫兹实验⼀．实验⽬的1．了解夫兰克-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．实验原理根据玻尔的原⼦模型理论，原⼦是由原⼦核和以核为中⼼沿各种不同轨道运动的⼀些电⼦构成的。
对于不同的原⼦，这些轨道上的电⼦数分布各不相同。
⼀定轨道上的电⼦具有⼀定的能量，能量最低的状态称为基态，能量较⾼的状态称为激发态，能量最低的激发态称第⼀激发态。
当同⼀原⼦的电⼦从低能量的轨道跃迁到较⾼能量的轨道时，原⼦就处于受激状态。
但是原⼦所处的能量状态并不是任意的，⽽是受到玻尔理论的两个基本假设的制约：(1) 定态假设。
原⼦只能处在⼀些稳定状态中，其中每⼀状态具有⼀定的能量值),3,2,1( =i E i ，这些能量值是彼此分⽴、不连续的，称为能级。
(2) 频率定则。
当原⼦从⼀个稳定状态过渡到另⼀个稳定状态时，即从⼀个能级跃迁到另⼀个能级，就发射或吸收的⼀定频率的电磁辐射，电磁辐射的频率ν由下式决定hE E nm-=ν (1) 式中，h 为普朗克常数，1986年推荐值为s J 10)0000040.06260755.6(34??±=-h 。
原⼦状态的改变通常在两种情况下发⽣，⼀是当原⼦本⾝吸收或放出电磁辐射时，⼆是当原⼦与其他粒⼦发⽣碰撞⽽交换能量时。
本实验就是利⽤具有⼀定能量的电⼦与汞或汞原⼦相碰撞⽽发⽣能量交换来实现原⼦状态的改变。
由玻尔理论可知，处于基态的原⼦发⽣状态改变时，其所需的能量不能⼩于该原⼦从基态跃迁到第⼀激发态时所需的能量，这⼀能量称为临界能量。
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；若电⼦能量⼤于临界能量，则发⽣⾮弹性碰撞。
这时，电⼦给予原⼦以跃迁到第⼀激发态时所需要的能量，其余的能量仍由电⼦保留。
⼀般情况下原⼦在激发态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。
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-赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持，那么，下面是给大家整理收集的弗兰克赫兹实验报告内容，供大家阅读参考。
弗兰克赫兹实验报告内容1仪器弗兰克-赫兹管(简称F-H管)、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、微机X-Y记录仪。
F-H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。
为了使F-H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F-H管置于控温加热炉内。
加热炉的温度由控温装置设定和控制。
炉温高时，F-H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。
温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。
辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。
F-H管电源组用来提供F-H管各极所需的工作电压。
其中包括灯丝电压UF，直流1V~5V连续可调;第一栅极电压UG1，直流0~5V连续可调;第二栅极电压UG2，直流0~15V连续可调。
扫描电源和微电流放大器，提供0~90V的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为F-H管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。
微电流放大器用来检测F-H管的板流，其测量范围为108A、107A、106A三挡。
微机X-Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。
供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。
原理玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……，处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。
原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是使原子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时，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。
如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定:hv=|Em-En|(1)式中:h为普朗克常量。
FH实验报告
系别：地球与空间科学学院班号：周二下午第十组10号姓名：顾舒杰学号：1300012622实验日期：2014年11月4日教师评定：实验名称：实验十八弗兰克-赫兹实验【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原件；（3）学习微电流的测量.【仪器用具】弗兰克-赫兹管（Hg管、Ar管各一个）；F-H管电源组（三组直流电源，供灯丝和各栅极间的偏压）；扫描电源和微电流放大器（DC：0~90V，电流范围10-8,10-7,10-6A）；电炉及控温仪；数字多用表（一块，四位半式，VC9806+型）；连线若干，开关一个.【实验原理】1.弗兰克-赫兹实验其中K为阴极，阴极发射的电子在K、g之间被加速，并与气体分子发生碰撞；g-p之间加一反向电压U gp，阻止电子到达p极板。
图一弗兰克-赫兹实验装置示意图U Kg与I p之间具有明显的周期性。
电流的周期性来源于电子与气体原子之间的碰撞。
当U Kg达到4.9V时，电子与空气分子发生非弹性碰撞，使汞原子从基态跃迁到激发态，电子因此损失了动能而不能克服反向电压U Kg阻滞到达极板p，电流从而下降。
电压继续增加，当电子的动能达到|eU gp|时，电子又能够到达极板p，从而使电流上升。
当电压达到2×4.9V时，电子又与气体原子发生非弹性碰撞，电流再次下降，重复多次就形成了左图实验曲线。
图二弗兰克-赫兹实验得到的管流与加速电压图左图为邻近基态的能级图。
其中1S0和3P1之间的能量差为4.9eV，与实验结果一致。
但是1S0和3P1之间的能量差为4.7eV，实验中没有出现。
这是因为3P1能级寿命很短，约为10-8秒汞原子在被电子碰撞到3P态后很快以自发辐射的方式退激到基态，电子因而可以不断地将它激发到3P1态，而3P0的寿命很长，约为10-3秒，是亚稳态，3P0到1S0是禁戒跃迁，故碰撞到3P0态的汞原子很快就处于饱和状态，因而实验中观察不到4.7eV的吸收峰。
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弗兰克-赫兹实验
【实验目的】
(1)了解弗兰克-赫兹实验用伏-安特性曲线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 0~5V2.5级
V G2P0~15V2.5级Victor VC9806+数字万用表200mV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。
当V G2K增大到原子的第一激发电位时，电子与原子间就产生非弹性碰撞，汞原子吸收电子的能量，由基态被激发到第一激发态。
电子损失能量后不能穿越拒斥场，引起板流I P聚减，于是I P−V G2K特性曲线上出现第一个峰值。
V G2K继续增大，电子经第一次非弹性碰撞后的剩余能量足以使其与汞原子产生第二次非弹性碰撞，汞原子再次从电子中取得能量，能量交换的结果使I P再次下降。
峰间距正是第一激发态和基态的能极差，在本次实验中，通过测量各个峰值并对其进行线性拟合可以更准确地测得能极差。
(3)实验装置
图2四栅式F-H管
实验仪器如图2所示，仪器分为三部分。
加热炉和控温仪：中有FH管，保持FH处于预定温度中
电源组：包括三组独立的稳压电源，分别提供V F灯丝加热电源，V G1K控制
电子束强度的加速电压，V G2P减速用的反向电压
微电流放大器：将板流I P并输出U out，本次试验中用U out代替I P
【实验步骤】
1.预热汞管至180度
2.如图2所示搭建实验装置
3.根据参考数据调节V F V G1K V G2P，在允许范围内使得峰谷比较明显
4.调节V G2K，粗测U out−V G2K，了解峰出现的范围
5.缓慢调节V G2K，细测U out−V G2K曲线
6.换用氩管，重复上述步骤
【实验数据及处理】
1.汞Hg
(1)U out−V G2K数据表
V F=3.0 V V G1K=2.8 V V G2P=1.4V T=180℃
V G2K =a +U 1n
线性拟合得
U 1=4.875 V 相关系数 r =0.99988 σU 1=U 1√1
R 2−1N −2
=0.04 V U 1=(4.88±0.04) V
(3)分析改变V G2P时，U out−V G2K后两个峰的改变。
很显然，因为V G2P是减速电压，当它增大时，对应每处横坐标V G2K的I都相应减小，所以曲线有向下的位移。
反之，当它减小时，曲线上移。
2.氩Ar
(1)U out−V G2K数据表
V F=2.4 V V G1K=2.2 V V G2P=7.5V
V G2K=a+U1n 线性拟合得
U1=12.62V
相关系数r=0.9989
σU
1=U1√
1
R2
−1
N−2
=0.3 V
U1=(12.6±0.3) V
【思考题】
如图3所示，反向减速电压V G2K增大时会有三种效果，U out峰值、谷值均减小，U out−V G2K曲线向下移动，峰值位置V n向右移动。
解释如下：
1.由于反向电压增大，所以在任何情况下抵达极板的电子都会减少，故峰值
2.作为1的结果，U out−V G2K曲线整体向下移动
3.由于灯丝加热逸出电子，这是热力学平衡的过程，所以电子的能量分布满足
麦克斯韦分布（概率密度是能量E的函数），经过加速电场V G1K，能量分布平移。
能量大于V G2K的部分才能通过栅极，到达极板。
但是E>U1的部分电子将激发汞原子甚至多次激发汞原子，导致E>U1，因而也不能到达极板。
故V G2K<E<U1的电子才是能形成极电流的。
由于V G2K U1不变，当V G1K取某些值时，V G2K U1所夹的概率密度函数面积最大时，极电流最大，故当V G2K增大时，U1不变，需要向右移动曲线即增大一些V G1K弥补V G2K增大带来的面积损失。
故峰值位置V n向右移动。