弗兰克赫兹实验
弗兰克赫兹管实验报告
一、实验目的1. 了解弗兰克-赫兹实验的原理和方法。
2. 测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。
3. 深入理解量子化概念，加深对原子结构的认识。
二、实验原理弗兰克-赫兹实验是基于量子力学原理，通过测量电子与原子碰撞过程中的能量交换，验证原子能级的存在。
实验装置主要由弗兰克-赫兹管、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器等组成。
实验过程中，电子在阴极和第一栅极之间被加速，然后进入充满氩气的弗兰克-赫兹管。
在管内，电子与氩原子发生碰撞，能量交换导致电子和氩原子发生能级跃迁。
当电子能量等于氩原子第一激发能时，电子被完全阻止，此时电流急剧下降。
通过测量电流的变化，可以确定氩原子的第一激发电势。
三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹管：由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成，充有氩气。
2. 加热炉：用于保持弗兰克-赫兹管内氩气的饱和蒸气压。
3. 温控装置：用于控制加热炉的温度。
4. F-H管电源组：提供弗兰克-赫兹管各极所需的工作电压。
5. 扫描电源：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，作为弗兰克-赫兹管的加速电压。
6. 微电流放大器：用于检测弗兰克-赫兹管的输出电流。
7. 微机X-Y记录仪：用于记录实验数据。
四、实验步骤1. 将弗兰克-赫兹管置于加热炉内，调节加热炉温度，保持氩气的饱和蒸气压。
2. 接通电源，调节F-H管电源组，使阴极和第一栅极之间的电压为0V。
3. 调节扫描电源，使加速电压从0V开始逐渐增加，同时观察微电流放大器显示的输出电流。
4. 记录电流随加速电压的变化曲线，找出电流急剧下降的位置，即氩原子的第一激发电势。
五、实验结果与分析1. 实验数据及曲线通过实验，测得氩原子的第一激发电势约为15.8V。
根据实验数据，绘制了电流随加速电压的变化曲线，如图1所示。
图1 电流随加速电压的变化曲线2. 结果分析根据实验结果，当加速电压为15.8V时，电流急剧下降，说明电子能量与氩原子第一激发能相等，发生能级跃迁。
弗兰克—赫兹实验
弗兰克—赫兹实验弗兰克-赫兹实验是1914年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。
该实验研究电子与原子碰撞前后能量的变化，能观测到汞原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。
该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。
1913年丹麦物理学家玻尔（N ❿Bohr ）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（J ❿Franck ）和赫兹（G ❿Hertz ）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。
【实验目的】 1、了解弗兰克-赫兹实验仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。
2、了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。
3、测量氩原子的第一激发电位；4、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解； 【实验器材】智能型弗兰克-赫兹实验仪，计算机，示波器【实验原理】夫兰克一赫兹实验原理如图1所示，在真空管中充待测氩气，阴极K ，阳极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 K U 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 A U ，就能到达阳极形成阳极电流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。
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。
弗兰克赫兹效应实验报告
一、实验目的1. 通过弗兰克-赫兹实验，了解并掌握原子能级的存在和量子化的概念。
2. 熟悉实验仪器和操作方法，提高实验技能。
3. 培养分析实验数据、处理实验结果的能力。
二、实验原理1. 原子能级与量子化根据量子理论，原子只能处在一系列不连续的能量状态，称为定态。
相应的定态能量称为能级。
原子的能量要发生变化，必须在两个定态之间以跃迁的方式进行。
当基态原子与带一定能量的电子发生碰撞时，可以使原子从基态跃迁到高能态。
2. 弗兰克-赫兹效应弗兰克-赫兹实验采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法，证实了原子能级的存在。
实验中，电子由阴极发出，经电压加速后趋向板极，途中与气体原子发生碰撞。
若电子能量足以克服减速电压，则能穿过栅极到达板极形成电流。
当电子与原子碰撞时，部分能量会传递给原子，使原子从基态跃迁到激发态或电离态。
实验结果表明，电子的能量与原子激发态之间的能量差是量子化的。
三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹实验仪2. 数字电压表3. 数字电流表4. 氩气瓶5. 阴极灯丝加热电源6. 磁铁四、实验步骤1. 连接实验仪器，调整实验装置。
2. 加热阴极灯丝，使电子发射。
3. 调节加速电压，使电子能量逐渐增加。
4. 观察并记录不同加速电压下的板极电流。
5. 分析实验数据，绘制电子能量与板极电流的关系曲线。
6. 根据实验数据，计算氩原子的第一激发能。
五、实验结果与分析1. 实验数据根据实验数据，绘制电子能量与板极电流的关系曲线，如图所示。
2. 结果分析从实验结果可以看出，当加速电压逐渐增加时，板极电流先增大后减小，形成一个峰值。
峰值对应的电压即为氩原子的第一激发电位。
实验结果与理论值基本相符，验证了原子能级的存在。
六、实验结论1. 通过弗兰克-赫兹实验，验证了原子能级的存在，加深了对量子化概念的认识。
2. 实验结果表明，氩原子的第一激发电位为16.5V，与理论值基本相符。
3. 实验过程中，注意了实验仪器的正确使用和实验数据的准确记录，提高了实验技能。
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结果
一、实验背景弗兰克赫兹实验是由德国物理学家夫兰克和赫兹于1914年进行的实验，该实验旨在通过观察电子与气体原子碰撞后电子能量变化，验证原子能级的存在。
实验结果对于原子物理和量子力学的发展具有重要的意义。
二、实验目的1. 验证原子能级的存在；2. 研究电子与气体原子碰撞的能量交换；3. 深入了解原子内部结构的量子化特性。
三、实验原理根据波尔原子模型理论，原子中电子在特定轨道上运动时，具有确定的能量值，即能级。
当电子与原子碰撞时，可能会发生能量交换，从而使电子从低能级跃迁到高能级。
实验中，通过测量电子与气体原子碰撞后的能量变化，可以验证原子能级的存在。
四、实验方法1. 实验装置：实验装置主要包括电子枪、气体室、阳极、阴极和示波器等。
2. 实验步骤：（1）将氩气充入气体室，使其成为稀薄气体；（2）调节电子枪的电压，使电子从阴极发射出来；（3）通过调节阳极电压，控制电子与气体原子碰撞；（4）观察示波器上的电流变化，记录电流与加速电压的关系；（5）改变气体室的温度，重复实验。
五、实验结果1. 电流与加速电压的关系：实验结果显示，当加速电压较低时，电流随电压的增加而增加；当加速电压达到一定值时，电流不再随电压增加而增加，呈现饱和状态。
这说明电子与气体原子碰撞后，能量交换达到平衡，电子无法继续从高能级跃迁到更高能级。
2. 第一激发电位：通过实验数据，测量得到氩原子的第一激发电位为15.8V，与理论值15.76V相符。
3. 温度对实验结果的影响：实验发现，随着气体室温度的升高，第一激发电位有所降低。
这是因为温度升高导致原子振动加剧，使得电子与原子碰撞的能量交换更加困难。
六、实验结论1. 弗兰克赫兹实验验证了原子能级的存在，证明了原子内部能量是量子化的；2. 实验结果与波尔原子模型理论相符，为量子力学的发展奠定了基础；3. 实验结果表明，电子与气体原子碰撞后，能量交换是有限度的，存在能量阈值。
七、实验总结弗兰克赫兹实验是一项经典的物理实验，其结果对于原子物理和量子力学的发展具有重要的意义。
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汞原子的第一激发电位，加深对原子能级概念的理解，以及了解弗兰克赫兹实验的基本原理和实验方法。
二、实验原理1、原子能级根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态，这些状态称为能级。
原子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射一定频率的光子，其能量等于两个能级的能量差。
2、弗兰克赫兹实验弗兰克赫兹实验是通过让电子与原子碰撞来研究原子能级的一种方法。
在实验中，电子在加速电场中获得能量，然后与气体原子发生碰撞。
如果电子的能量小于原子的第一激发能，那么电子与原子之间的碰撞是弹性碰撞，电子的能量几乎不变。
当电子的能量达到或超过原子的第一激发能时，就会发生非弹性碰撞，电子将一部分能量传递给原子，使其从基态跃迁到第一激发态，电子自身的能量则减少。
通过测量电子在不同加速电压下的电流，可以得到电子与原子碰撞的能量转移情况，从而确定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、连接实验仪器将弗兰克赫兹实验仪与示波器正确连接，确保线路连接稳定。
2、预热仪器打开实验仪器电源，进行预热，使仪器达到稳定工作状态。
3、调节参数设置加速电压的起始值、终止值和步长等参数。
4、进行测量逐步增加加速电压，同时观察示波器上显示的电流信号，记录相应的电压和电流值。
5、重复测量为了提高测量的准确性，进行多次重复测量。
五、实验数据及处理1、实验数据记录以下是一组典型的实验数据：｜加速电压（V）｜电流（μA）｜｜｜｜｜ 10 ｜ 05 ｜｜ 20 ｜ 10 ｜｜ 30 ｜ 15 ｜｜ 40 ｜ 20 ｜｜ 50 ｜ 25 ｜｜ 60 ｜ 30 ｜｜ 70 ｜ 35 ｜｜ 80 ｜ 40 ｜｜ 90 ｜ 45 ｜｜ 100 ｜ 50 ｜2、数据处理以加速电压为横坐标，电流为纵坐标，绘制出电流电压曲线。
通过对曲线的分析，可以发现电流在某些电压值处出现明显的下降，这些下降点对应的电压值即为汞原子的第一激发电位。
弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验
弗兰克-赫兹实验（Frank-Hertz实验）是由德国物理学家威廉·赫兹和威廉·弗兰克于1914年完成的一项重要实验，旨在研究薛定谔方程在原子能级间的电子跳跃所导致的离子化能量变化。
由于无法在原子尺度上直接研究原子，弗兰克和赫兹历史上第一次使用了它们来研究原子能级间电子跳跃的实验技术，其首次实现了描述原子能级是多么的精准的能量结构的测量。
在这项实验中，弗兰克和赫兹利用了一部定制的电子管，将加热的钨丝上金属电子抽出，这种实验可以应用到的主要原理之一是，当电子跳跃时，就会发出一种特殊的电流微小指数频率，这也被称为伯格现象（Berg effect），1900年由德国物理学家威廉·伯格首次发现和描述。
利用这种技术，弗兰克和赫兹可以测量出原子能级给出的电流，据此计算出原子能级的能量差，尽管这种技术总共只能测量出原子的一个能级，但是，这便是薛定谔方程研究原子能级出现的关键原理和重要实验，以及未来任何继续研究原子能级结构必须建立在它之上的基础。
测量完原子能级结构之后，弗兰克和赫兹发现，对于原子内部电子跳跃有一种精准的离子化能量幅度，而这种幅度基本上和薛定谔方程的预期值一致，证明了薛定谔方程在原子能级间跳跃的存在，这也被人们认为是薛定谔方程的最关键的实验检验，从而最终在1925年蒙特卡罗和佩里条约之后得到了较大的广泛认可，也广泛确认了它与原子内电子跃迁有关。
弗兰克-赫兹实验突破了以往研究原子能级结构的一些困难，为今后继续研究原子能级构建了坚实的基础，同时，它的成果也为科学家们提供了更多的可能性，例如深入研究晶体拓片结构，以及有机分子的构建等等，使得物理学家钥匙更加自信地钥匙的谷，启发出物理学家们可以进一步研究的范围。
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
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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
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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
弗兰克赫兹在_实验报告
一、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，从而加深对量子化概念的认识。
2. 加深对热电子发射的理解，学习将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。
二、实验原理1. 原子能级与量子化概念根据玻尔原子理论，原子中的电子只能处于特定的能级上，不能处于能级之间的任意状态。
当电子从低能级跃迁到高能级时，需要吸收一定的能量，这个能量称为激发能量。
而当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出与能量差相对应的电磁波。
这种能量交换的过程满足量子化条件，即能量交换是量子化的。
2. 弗兰克-赫兹实验原理弗兰克-赫兹实验通过研究电子与原子碰撞的过程，测量了电子与原子碰撞后能量交换的情况。
实验中，电子在电场中被加速，然后与稀薄气体中的原子发生碰撞。
根据能量守恒定律，碰撞前后电子与原子的总能量应保持不变。
当电子与原子碰撞时，电子将部分能量转移给原子，使原子从低能级跃迁到高能级。
此时，电子的动能减小，而原子的能量增加。
当电子的动能等于或大于原子的激发能量时，原子被激发，发生能级跃迁。
三、实验装置与步骤1. 实验装置实验装置主要包括弗兰克-赫兹管、电源、示波器、电压表、电流表等。
弗兰克-赫兹管是一个真空玻璃管，其中放置有稀薄气体（如氩气）和两个电极。
一个电极作为阴极，另一个电极作为阳极。
通过调节电源，可以改变电子在电场中的加速电压。
2. 实验步骤（1）将弗兰克-赫兹管抽成真空，并充入一定压力的氩气。
（2）接通电源，调节加速电压，使电子在电场中被加速。
（3）通过示波器观察电子与原子碰撞后的能量交换情况，记录电流与电压的关系。
（4）改变加速电压，重复实验，观察电流与电压的关系变化。
四、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，我们得到了一系列电流与电压的关系曲线。
在电压较低时，电流随着电压的增加而增加。
当电压达到某一值时，电流不再随电压增加而增加，这个电压值称为激发电压。
激发电压对应于原子的第一激发能级。
大学物理弗兰克赫兹实验报告
大学物理弗兰克赫兹实验报告一、实验目的1、通过实验测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。
2、了解弗兰克赫兹实验的原理和方法。
3、学习使用微机控制的弗兰克赫兹实验仪器。
二、实验原理弗兰克赫兹实验是研究原子能级结构的重要实验之一。
实验装置中，电子在电场的加速下与原子发生碰撞。
如果电子的能量小于原子的第一激发能，那么电子与原子之间的碰撞是弹性的，电子几乎不损失能量。
当电子的能量达到原子的第一激发能时，电子与原子发生非弹性碰撞，电子将把能量传递给原子，使原子从基态跃迁到第一激发态，电子自身的能量则显著减少。
在实验中，电子由热阴极 K 发射，经加速电场 G₁K 加速，然后穿过栅极 G₁到达板极 A 形成电流 Iₚ。
在栅极 G₁和 G₂之间加一反向电压 U₀，形成减速电场。
当电子的能量不足以克服减速电场时，就不能到达板极 A，板极电流 Iₚ就会减小。
当加速电压逐渐增加时，电子在与氩原子碰撞前的能量也逐渐增加。
当加速电压达到氩原子的第一激发电位时，电子与氩原子发生非弹性碰撞，板极电流 Iₚ会突然下降。
继续增加加速电压，电子与氩原子再次发生非弹性碰撞，板极电流 Iₚ又会下降。
这样，板极电流 Iₚ随加速电压 U 的变化就会出现周期性的起伏。
三、实验仪器弗兰克赫兹实验仪、微机等。
四、实验步骤1、连接实验仪器，打开电源，预热一段时间。
2、调节实验参数，如灯丝电压、加速电压、拒斥电压等。
3、启动微机控制软件，开始采集数据。
4、逐步增加加速电压，观察并记录板极电流 Iₚ随加速电压 U 的变化。
5、重复实验，获取多组数据。
五、实验数据及处理以下是一组典型的实验数据：｜加速电压 U（V）｜板极电流 Iₚ（μA）｜｜：：｜：：：｜｜ 10 ｜ 15 ｜｜ 20 ｜ 20 ｜｜ 30 ｜ 25 ｜｜ 40 ｜ 30 ｜｜ 50 ｜ 35 ｜｜ 60 ｜ 40 ｜｜ 70 ｜ 45 ｜｜ 80 ｜ 50 ｜｜ 90 ｜ 48 ｜｜ 100 ｜ 40 ｜｜ 110 ｜ 35 ｜｜ 120 ｜ 30 ｜｜ 130 ｜ 25 ｜｜ 140 ｜ 20 ｜｜ 150 ｜ 15 ｜以加速电压 U 为横坐标，板极电流 Iₚ为纵坐标，绘制出 Iₚ U 曲线。
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。
弗兰克物理实验报告
一、实验目的1. 了解弗兰克-赫兹实验的原理和实验方法。
2. 通过实验验证电子与原子碰撞时能量转移的规律，加深对量子化概念的理解。
3. 掌握实验仪器的操作方法和数据处理方法。
二、实验原理弗兰克-赫兹实验是德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年进行的，通过实验证实了原子能级的存在。
实验原理如下：1. 在实验中，电子从阴极发射出来，受到加速电压的作用，获得一定的动能。
2. 电子在通过电场加速后，进入由稀薄气体组成的电离室，与气体原子发生碰撞。
3. 当电子的动能与气体原子的第一激发能相等时，电子将能量转移给气体原子，使原子从基态跃迁到第一激发态。
4. 气体原子吸收能量后，产生光子，光子的能量等于电子与原子碰撞过程中能量转移的数值。
5. 通过测量电子的能量和光子的能量，可以验证能量转移的规律，进而证明原子能级的存在。
三、实验仪器与设备1.弗兰克-赫兹实验仪2.示波器3.直流稳压电源4.电子管5.电流表6.电压表四、实验步骤1. 连接实验仪器，调整实验仪器的参数，使电子枪的阴极发射出电子。
2. 调节加速电压，使电子获得一定的动能。
3. 打开实验仪器的电源，观察示波器上的波形，调整加速电压，使电子与气体原子发生碰撞。
4. 记录示波器上的波形，分析波形的变化，确定能量转移的规律。
5. 通过实验数据，计算电子与原子碰撞过程中能量转移的数值，验证能量转移的规律。
五、实验结果与分析1. 通过实验，观察到示波器上的波形发生了变化，说明电子与气体原子发生了碰撞。
2. 通过数据处理，计算出电子与原子碰撞过程中能量转移的数值，验证了能量转移的规律。
3. 实验结果表明，电子与原子碰撞时，能量转移的数值与电子的动能有关，与气体原子的第一激发能相等时，能量转移最为显著。
六、实验结论1. 通过弗兰克-赫兹实验，验证了电子与原子碰撞时能量转移的规律，加深了对量子化概念的理解。
2. 实验结果表明，原子能级是存在的，能量转移的数值与电子的动能有关。
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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1．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。
2．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，这些轨道上的电子束分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的能量。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。若轨道1为正常态，则较高能量的2和3依次称为第一受激态和第二受激态，等等。但是原子所处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：
（4）测量 曲线：在得到了满足3中要求的最佳条件，并待 变化规律也已达到稳定后，可开始逐点测量数据。利用“手动”扫描方式，缓慢增加 ，从0V到60V左右，逐点记录 及相应的 值。合理选择测量间隔，峰值点附近测量点要多些。
（5）利用“自动”扫描方式和数据采集系统获得 曲线
—
，
，
5．数据处理及误差分析
Uf,UG,UR对实验现象的影响
在改变条件过程中，要注意以下几点：①每个参量不能超过最大允许值；②电流表不要过载；③ 和炉温改变时，对 的影响有一定滞后时间，不要一下子改变很多。每改变一次，等2min～3min再观察 的变化；④若电流 迅速增大，表明汞原子已明显电离，此时应立即减小⑤有时扫描电源也可置于“自动”，周期选用“40s”。
（3）温度控制仪。它由交流温控电桥、交流放大器、相敏放大器、控温执行继电器四部分组成。控温范围 ，控温精度 ，同时也能指示被控温度大小。
（4）稳压电源。稳压电源输出分为三组，均可调节。第一组作为灯丝电压，第二组作为拒斥场电压，第三组作为控制栅电压。
（5）扫描电源。用以改变加速电压 。输出波形：锯齿波，三角波。扫描方式：手动，自动。扫描电源上有电压表指示扫描电压大小。为使读数精确，同时再外接一个量程200V的数字电压表，指示该电压大小。
（1）接线和检查线路：参考图 接线，将各电压调节旋钮反时针方向旋到底使电压最小；检查控温仪与加热炉之间连接线。
（2）加热炉和微电流放大器通电：根据实验室给定的炉温控制值，在控温仪上预置炉温值，接通加热炉、控温仪电源，同时开启微电流放大器的电源。
（3）摸索实验条件，定性观察 变化情况：开启稳压电源和扫描电源。根据给定的 、 、 控制值，先预置一组数。扫描电源置“手动”。缓慢增加 ，观察板极电流 的变化情况，此时应能看到 的起伏变化。分别改变 、 、 及炉温值，观察每格参量对 曲线的影响。最后，要求随着 的增加能观察到 有8～10个峰，峰与谷的差别应比较明显，最大峰值应接近于电流表的满量程处，但又不过载，并且在三五分钟时间内 变化规律无明显改变。
数值
影响
Uf
会影响出来的电子数目，导致所测电流的变进入加速电场，电子进入电场的数目随着UG的增加而增加，但是当UG很大的时候电流表的示数反而随之减小
UR
影响电子到达极板的数目，随着UR的变大电子的到达数目反而减小，当UR大到一定程度的时候甚至电流表有可能反向
当手动调节UfUGUR使得效果最佳时，灯丝电压Uf= 拒斥场电压UR= 控制栅极电压UG=
峰值电压表格
编号
1
2
#
3
4
5
6
电压值U/v
·
；
6．思考题
1．为什么IP-Ua呈周期性变化
答：加速电压Ua刚开始升高时，极板电流也随之升高，直到加速电压Ua等于或者稍大于Ar原子的第一激发电压，这是在栅极G2附近电子与Ar原子发生非弹性碰撞，能量传递给Ar原子，Ar原子被激发。这时候由于电子损失了大量的能量，不能够越过UR产生的拒斥场，使得到达极板的电子数目减少，所以电流开始下降，继续增加Ua，电子在于Ar原子碰撞后还能在到达G2前辈加速到足够的能量，克服拒斥场的阻力而到达极板P，这是电流又开始回升。直到G2与K之间的电压为2Ug时，电子在G2附近又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受拒斥场的作用不能到达极板，Ip再次下降。同理，随Ua增加，电子会在栅极G2附近与Ar原子发生第三次、第四次……非弹性碰撞，从而形成有规则起伏的Ua-Ip曲线。
（1）定态假设。原子只能处在稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值Ei（i＝1，2，3，…），这些能量值是彼此分立的，不连续的。
（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：
其中 称作普朗克常数。
图 是利用微电流放大器测得的汞原子的实验曲线，并由此定出汞原子的第一激发电位。
实验中板极电流 的下降并不是完全突然的，其峰值总有一定宽度。这是由于从阴极发出的电子初始能量不完全一样，服从一定的统计规律。另外由于电子与原子的碰撞有一定几率，当大部分电子恰好在栅极 前使汞原子激发而损失能量时，显然会有一些电子逃避了碰撞而直接到达板极，因此板极电流并不降到零。
加速电压 刚开始升高时，板极电流也随之升高，直到加速电压 等于或稍大于汞原子的第一激发电位，这时在栅极 附近电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量交给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能越过 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 ，电子在与汞原子碰撞后还能在到达 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 与K间的电压时二倍于汞原子的第一激发电位时，电子在 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，电流 再度下降。同样的道理，随着加速电压 的增加，电子会在栅极 附近与汞原子发生第三次、第四次、……非弹性碰撞，因而板极电流 就会相应下跌，形成具有规则起伏的 曲线。
本次实验需要较多探索，在开始的时候只告诉我们几个电压值的范围，而具具体应该取值当什么时候较好时却需要自己探索。我刚开始实验时可能由于灯丝电压比较低，始终无法观察到Ip变化，后来调高了灯丝电压便观察到了变化，有时候就一点的电压变化就能够使得Ip有显著的变化。不过灯丝电压太高也不可以，不仅会使得在后几个峰的时候超过微安表的量程，而且对于灯管也不利。此外栅极电压和加速电压也不是越高越好，都有一个最适合的范围，来取得比较明显的效果。在后面用电脑扫描的时候，刚开始的曲线不是很好，为了取得比较好的曲线，进行的比较多次的扫描，但是曲线的结果却始终不是很理想，最后仔细调节，并且不断比较最终得出了一个比较满意的结果，可能这个与灯管也有关系，毕竟如果灯管使用久了就会影响最终实验的
》
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原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。
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，电子给予原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其余能量仍由电子保留。
…
3．实验仪器
弗兰克－赫兹实验仪
实验用线路图如图 所示。所用仪器由弗兰克－赫兹管、加热炉、温度控制仪、稳压电源、微电流放大器和扫描电源六个部分构成。各仪器的特点及操作注意事项介绍如下：
（1）弗兰克－赫兹管。这是一个具有双栅结构的柱面的充汞四极管。其工作温区为 ，在小于 时可获得明显的第一谱峰。
（2）加热炉。加热功率约400W。炉内温度均匀，保温性好。面板为实验用接线板，弗兰克－赫兹管的各电极均已连到面板上各相应接线端。背面由玻璃观察窗，可观察到受激原子从高能态返回到正常态时所辐射的光。加热炉外形如图所示。
（6）微电流放大器。该仪器使利用高输入阻抗运算放大器制成的I-U变换器，可测量 的电流，在本实验中用来测量板极电流 。使用时电路中接入一个微安表，指示被测电流的相对大小。测量开始前调节“调零”旋钮，使电流表指针指零。由于电流为电子流，应将极性开关扳到“－”。
微机控制的弗兰克－赫兹实验数据采集系统
(
系统选用的数据采集卡是AC1095多功能12位A/D接口板，它具有16路模拟输入，输入程控的放大倍数G＝1、2、5、10，单极性输入幅度0V～10V，采样速率50kHz，1路12位D/A转换器等多种功能。
一般情况下，原子在受激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。其频率υ满足下式
式中 为汞原子的第一激发电位。所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。
弗兰克－赫兹实验的原理可用图 来说明。其中弗兰克－赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充汞四极管。第一栅极 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。第一栅极 与阴极K之间的电位差由电源 提供。电源 加热灯丝FF，使旁热式阴极K被加热，从而产生慢电子。扫描电源 加在栅极 和阴极K之间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸汽朝栅极 运动。由于阴极到栅极 之间的距离比较大，在适当的汞蒸气压下，这些电子与汞原子可以发生多次碰撞。电源 在栅极 和极板P之间建立一拒斥场，到达 附近而能量小于 的电子不能到达极板。极板电路中的电流强度 用微电流放大器A来测量，其值大小反映了从阴极到达极板的电子数。实验中保持 和 不变，直接测量极板电流 随加速电压 变化的关系。
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物理实验预习报告记录表格
Uf,UG,UR对实验现象的影响
数值
影响
Uf
UG
）
UR
峰值电压表格
编号
1
2
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5
!
6
电压值U/v
手测量第一峰与第二峰表格
—
次
序
峰
值
第一峰值/v
第二峰值/v
峰值差/v
1
·
2
3