弗兰克赫兹实验 课件
弗兰克赫兹实验30页PPT
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
弗兰克赫兹实验
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6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
，但某些时候请收 敛。
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9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
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10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
弗兰克-赫兹讲义
实验32 夫兰克 -赫兹实验近代物理的标志是量子理论的建立,而量子理论的实验基础是原子光谱和各类碰撞研究。
1913年,丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)在卢瑟福原子核模型的基础上,结合普朗克的量子理论,成功地用原子结构理论解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论。
1914年夫兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法,使原子从低能级激发到较高能级,通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量,直接证明了原子内部量子化能级的存在。
同时,也证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的,给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。
由于此项卓越的成就,他俩获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
【实验目的】(l)通过测定氢原子的第一激发电位,证明原子能级的存在。
(2)分析温度、灯丝电流等因素对夫兰克-赫兹(F-H)实验曲线的影响。
【实验原理】根据玻尔提出的原子理论,原子只能较长久地停留在一些稳定状态(即定态),其中每一状态对应于一定的能量值,各定态的能量是分立的,原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差的能量。
如果处于基态的原子要发生状态改变,所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要的能量。
为使原子从低能级E n 向高能级E m 跃迁,可以通过吸收一定频率ν的光子来实现,其光子的能量由下式决定:hv =E m -E n （1）也可能通过与具有一定能量的电子碰撞来实现,若与之碰撞的电子是在电位差V 的加速下,速度从0增加到v 并将全部能量交换给原子,则有212m n eV mv E E ==- （2） 由于E m -E n 有确定的值,对应的V 就应该有确定的大小。
当原子吸收电子的能量从基态跃迁到第一激发态时,相应的V 称为第一激发电位。
夫兰克 -赫兹实验原理如图1所示。
实验中原子与电子碰撞是在弗兰克-赫兹(F-H)管内进行的。
一般的夫兰克一赫兹管是在圆柱状玻璃管壳中沿径向或轴向依次安装加热灯丝、阴极K 、网状栅极G 及板极A,有的在阴极K 和栅极G 之间还安装有第一阳极G 1。
弗兰克-赫兹实验程丽讲师博士理学院物理实验教学中心
(2)原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸
收辐射能量时，辐射的频率是一定的．如果用 Em 和 En 代表有关二定态的能量，辐射的频率决定于
如下关系：
hυ = Em – En 式中h为普朗克常量．
2020/11/16
在玻尔提出原子结构的量子理论后， 弗兰克 (J．Franck)和赫兹(G．Hertz)在1914年在用慢电子轰 击稀薄气体原子做原子电离电位测定时，偶然地发现 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。
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实验原理
1. 实 验 原 理 图 2. 物 理 过 程
3. I-UGK 曲 线
2020/11/16
板极A
ＵＧ２Ａ
ＵＧ２Ｋ
ＵＧ１Ｋ
栅极G2
栅极G1 热阴极K
U G1K
ac bd
弗兰克-赫 兹管
IA - UGK 曲 线
弗兰克-赫兹实验装置图
（接触电位差和空间电流对IA - UGK
2、联机测试
根据仪器给定参数在计算机辅助实验系统中的 参数设置的对话框中进行参数设定（电流档位I
、灯丝电压VF 、VG1K 、VG2A ），微机自动调节
VG2K ，实验过程中每改变VG2K得电压值，F-H管 的极板电流值随之改变。在显示器上会有相应 I-V曲线绘制。记录曲线对应的波峰电压值于显 示器数据检验的表格内，由计算机算出第一激 发电压。打印出I-V曲线、数据表格及第一激发 电压。
波谷值对位 U 0
比较 Ug 11.6V ；
，和参考值
b.根据不确定度公式计算： U ；
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
夫兰克-赫兹实验讲义
夫兰克-赫兹实验1913年，丹麦物理学家玻尔（N ．Bohr ）提出了一个氢原子模型，并指出原子存在能级。
该模型在预言氢光谱的观察中取得了显著的成功。
根据玻尔的原子理论，原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。
1914年，德国物理学家夫兰克（J ．Franck ）和赫兹（G. Hertz ）对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进，他们同样采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，但着重观察碰撞后电子发生什么变化（勒纳则观察碰撞后离子流的情况）。
通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级。
直接证明了原子发生跃变时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证明了原子能级的存在，从而证明了玻尔理论的正确。
由而获得了1925年诺贝尔物理学奖金。
夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术。
【实验目的】通过测定氩原子的第一激发电位（即中肯电位），证明原子能级的存在。
【实验仪器】FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪【实验原理】1．激发电位：玻尔提出的原子理论指出：（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态）。
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m E 和n E 分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率ν决定于如下关系：m n hv E E =- （1） 式中，普朗克常数：346.6310J s h -=⨯⋅为了使原子从低能级向高能级跃迁，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的办法来实现。
设初速度为零的电子在电位差为0U 的加速电场作用下，获得能量0eU 。
《弗兰克赫兹实验》课件
本课件将介绍弗兰克赫兹实验的原理、目的、步骤以及结果分析，旨在向大 家详细介绍这一重要的实验，并展示其影响。
实验介绍
弗兰克赫兹实验是由弗兰克和赫兹于1914年首次进行的，它利用射线与气体 原子的碰撞来研究能量的传递与吸收，揭示了原子层能级结构的重要信息。
实验目的
这个实验的目的是验证玻恩模型中的能级理论，探究原子的能量传递与吸收特性，以及通过对气体的激 发和离子化过程，对原子层能级结构进行研究。
弗兰克赫兹实验的成果与量子 力学理论相结合，促进了量子 力学的研究与应用。
科学研究与实践
借鉴弗兰克赫兹实验的思路和 方法，可以在其他领域进行类 似的实验，推动科学研究的备
搭建弗兰克赫兹实验所需的实验装置，包括真空室、电子枪、气体放电管等。
2
能量变化观察
通过变化加速电压和测量电流的方式，观察气体原子在能量吸收与传递过程中的 特性。
3
数据记录与分析
记录实验数据并进行分析，包括能量峰值的出现、电流的变化等，得出相关结论。
实验结果分析
能量峰值
观察到在某些能量值下，电流会发生显著变 化，形成能量峰值，这证实了原子能级结构 的存在。
2 仪器检查
每次进行实验前，需仔细检查实验装置的各个部件是否正常工作，以确保实验结果的准 确性。
3 精确测量
在进行实验时，要使用精准的测量仪器，并注意测量的准确性，以获取可靠的实验结果。
实验延伸
原子模型研究
利用弗兰克赫兹实验的结论， 可以深入研究原子的结构和性 质，推动原子物理学的发展。
量子力学应用
能级跃迁
实验结果表明，气体原子在能量吸收过程中 发生了能级跃迁，电子从低能级跃迁到高能 级。
大学物理基础实验夫兰克赫兹实验PPT课件
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图２ Ａr原子的IP-U2特性曲线
U2(V)
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[实验步骤 ]
连接好各组工作电源线，仔细检查，确定无误 打开电源，将实验仪预热20～30分钟
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[注意事项]
• 仪器应该检查无误后才接通电源。 • 灯丝电压VF不宜放得过大，一般在2V左右，如电流偏小再适当增加。 • 要防止F-H管击穿（电流急剧增大），如发生击穿应立即调低电压VG2以免损
坏F-H管。 • 实验完毕，立即将VG2K电压快速归零
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[数据处理]
JAMES FRANCK （夫兰克） (1882-1964)
GUSTAV HERTZ（赫兹） (1887-1975)
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背景
• 夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重 要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小 能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术。
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[目的]
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节电压源VG2K，，到82V止。记录下每个VG2K的值和 对应的电流值IA 【注：为保证实验数据的唯一性，VG2K的值必须从小到
大单向调节，不可在过程中反复；记录完成最后 一
组数据后，立即按“启动键”将VG2K电压快速 归零。】 • VG2K电压归零等候5分第钟19，页/共重25复页 上述步骤，再次测量
N．Bohr （波尔）
(1885-1962)
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.
080903弗兰克-赫兹实验讲义2007-9-10
1914 年夫兰克和赫兹所用的是一支充汞的三极管，只有阴极、加速栅极和板极。1920 夫兰 克对原装置作了改进，使电子在加速区内获得高于 4.9eV 的能量，可测得汞原子的一系列量子 态，进一步证实了原子内部能量状态的不连续性。
2
图 2 充汞 F-H 管的 Ip-U2 特性曲线 实验仪器
图 3 是 F-H 实验的实验装置图，其中右侧为装有 F-H 管的控温加热炉，左下为稳压电源， 左上微电流测量放大器和扫描控制装置。数据输出可连接到函数记录仪。
继续增大 U2 ，电子的动能又会增加，当电子积累的动能足以克服反向拒斥电压 UG2P 的作 用时，即 eU2-（E2-E1）>eUG2P 时，电子又能到达板极，使板流 IP 回升。当 U2 增大到 2U0 时， 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 IP 再次下降。同理可知，U2 继续增大时，电子会在第二 栅极 G2 附近与汞原子发生第三次、第四次、……非弹性碰撞，引起板流 IP 的相应下跌。可见， 随着加速电压 U2 的增加，板流 IP 会周期性地出现极大值和极小值，凡满足加速电压 U2=nU0 （n=1,2,3,……）时，板流 IP 都会相应下跌，形成规则起伏的 IP-U2 特性曲线。曲线各峰值之间 的等间隔规律表明：碰撞过程中电子有确定的能量传递给汞原子，而与相邻的两板流极大值（或 极小值）所对应的加速电压的差值就是汞原子的第一激发电位 U0 。它的公认值为 4.9V。
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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Dr. Prof. W.N.Pang
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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
2019/9/17
Dr. Prof. W.N.Pang
2019/9/17
Dr. Prof. W.N.Pang
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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
2019/9/17
Dr. Prof. W.N.Pang
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五、实验报告及数据处理要求
弗兰克赫兹实验-最全资料PPT
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。
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
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。
电流（或谷 hυ=E2-E1
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。
(1)“自动/手动”；
电流）对应 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！
原子能级的存在最早是从光谱学的研究中推断出来的。
的电压差。 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。
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。
弗兰克赫兹实验讲义
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。
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失了能量的电子不能超过UG2P所产生的拒斥场，到达板极的电子数 减少，所以电流开始下降，继续增加UG2K，电子在与汞原子碰撞后 还能在到达G2前被加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而到达 板极P，这时电流又开始上升。直到UG2K间的电压是二倍于氩原子 的第一激发电位(2Ug)时，电子在G2附近又会因第二次非弹性碰撞
而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到达板极P，IP再度下降。同样的道理，随 着UG2K的增加，电子会在G2附近与氩原子发生第三次、第四次……非弹性碰撞，因而
IP就会相应下跌，形成具有规则起伏的IP～UG2K曲线，如图2所示。两峰之间的电位差
等于氩原子的第一激发电位U0，其公认值为11.61V。
? eU0 =1/2mv2= E2 - E1
? 那么当电子与原子发生碰撞时，原子将从
电子攫取能量而从基态跃迁到第一激发态。
相应的电位差U0就称为原子的第一激发电 位。
夫兰克一赫兹实验原理可用图1来说明:
图1：夫兰克—赫兹实验原理图
UG2K刚开始升高时，IP也随之升高，直到UG2K(等于或稍大于氩 原子的第一激发电位，这时在栅极G2附近电子与氩原子发生非弹
图2
仪器：
轨迹示波器
内容与步骤 ：
? 熟悉仪器 ? 根据仪器标签确定各参数。 ? 手动测量（UG2K以步长0.5V的电压值调节）
记录相应的电流值IP ? 自动测量（ UG2K不能超过85V)
数据处理：
? 在坐标纸上描绘出IP-UG2K的关系曲线 ? 用逐差法处理数据求出氩原子的第一激发
(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，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。频率的大小取 决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系：
hv ? En ? Em
其中h=6.63×10-34J·s，称作普朗克常数;
v为频率，En、Em为两个不同定态的能量
? 设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态 量。初动能为零的电子在电位差U0的电场 作用下获得能量eU0，如果
电位U0,将实验值U0与氩原子的第一激发电 位U0=11.61V 相比较，计算出相对误差。
思考题：
? 1.原子跃迁辐射频率与发生跃迁的两定态能 量之间有什么关系？
? 2.什么是原子的第一激发电势？他和原子能 级有什么关系？
? 3. 为什么IG2A－UG2K曲线上的各谷点电 流随UG2K的增大而增大？
弗兰克-赫兹实验
物理实验室
目 的：
? 1.了解夫兰克-赫兹实验的原理和方法。
? 2.测定氩原子的第一激发电位，验证原子能 级的存在。
原 理：
? 玻尔的原子理论指出：
(1)定态假设。原子只能较长久地处在一些稳定的状态，简
称定态。其中每一状态对应于一定的能量值Ej ( j=1，2，
3，……)。这些能量值是彼此分立的，不连续的。如果原子 能量发生变化，它只能从一个定态跃迁到另一个定态；
30
第7组实验曲线 25
量) 20
考
参 值(
15
流
电 10
(8 7.5 ,1 9.8 ) (7 4.7 ,1 7.4 ) (6 2.2 ,16.3 ) (4 9.9 ,1 3.6 ) (3 7.9 ,1 1.3 )
(2 6.8 ,8.0 )
5
(1 6.8 ,3.5 )
0
0
20
40
60
80
100
加 速 电 压 (V )