弗兰克赫兹实验 深圳大学 (1)讲解
大学物理实验讲义实验01 弗兰克-赫兹实验
实验06 弗兰克-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着的成功。
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】通过测定氩原子等元素的第一激发电位（即中肯电位），证明原子能级的存在。
【仪器用具】ZKY-FH-2型智能夫兰克-赫兹实验仪、SS7802型双综示波器【实验原理】1．关于激发电位：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E m 和E n 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： n m E E h -=ν （1） 式中，普朗克常数h = 6．63 ×10-34 J ·sec 。
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。
弗兰克-赫兹实验理论解释
弗兰克-赫兹实验理论解释弗兰克-赫兹实验理论解释：弗兰克—赫兹实验证明原子内部结构存在分立的定态能级。
这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”，是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据。
使用弹性碰撞和非弹性碰撞的理论，法兰克和赫兹给予了这实验合理的解释。
当电压很低时，被加速的电子只能获得一点点能量。
他们只能与水银原子进行纯弹性碰撞。
这是因为量子力学不允许一个原子吸收任何能量，除非碰撞能量大于将电子跃迁至较高的能量量子态所需的能量。
由于是纯弹性碰撞，系统内的总动能大约不变。
又因为电子的质量超小于水银原子的质量，电子能够紧紧地获取大部分的动能。
增加电压会使电场增加，刚从阴极发射出来的电子，感受到的静电力也会加大。
电子的速度会加快，更有能量地冲向栅极。
所以，更多的电子会冲过栅极，抵达阳极。
因此安培计读到的电流也会单调递增。
水银原子的电子的最低激发能量是 4.9eV。
当加速电压升到4.9 伏特时，每一个移动至栅极的自由电子拥有至少 4.9eV动能（外加电子在那温度的静能）。
自由电子与水银原子可能会发生非弹性碰撞。
自由电子的动能可能被用来使水银原子的束缚电子从一个能量量子态跃迁至另一个能量量子态，从而增加了束缚电子的能极，称这过程为水银原子被激发。
但是，经过这非弹性碰撞，自由电子失去了 4.9eV 动能，它不再能克服栅极与阳极之间负值的电压。
大多数的自由电子会被栅极吸收。
因此，抵达阳极的电流会猛烈地降低。
假设加速电压超过 4.9 伏特，自由电子会在从阴极移动至栅极的路途中，遇到一个非弹性碰撞，失去 4.9 eV，然后继续被加速。
照着这方式，在电压超过 4.9V之后，电流重新单调递增。
当电压在 9.8 伏特时，情况又有改变。
每一个自由电子有足够的能量造成两次非弹性碰撞，失去 9.8eV 。
自由电子又无法抵达阳极。
安培计读到的电流再度会猛烈地降低。
电压每增加4.9 伏特，就会发生一次这种状况，电子累积足够能量(4.9eV 的整数倍)后，造成更多次的非弹性碰撞。
最新夫兰克赫兹实验教学课件
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
达到二倍于气体原子的第一激发态能量时，电子在G2P间又会因二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次 阳极电流的下降。因此凡在栅极电压
VG2 = nU0+E (n=1,2,3…) (3) 的地方阳极电流IP都会相应下跌，形成规则起伏变化的 IP ～VG2曲线。式(3)中的E为与金属电子逸出功有关的某一常
课件目录
• 一.实验目的 • 二.实验原理 • 三.实验仪器 • 四.实验步骤
图3所示的曲线反映了在空 间电子与气体原子进行能量交 换的情况。当空间电压逐渐增 加时，电子在空间被加速而取 得越来越大的能量。但起始
阶段由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与 原子相碰撞也只有微小的能量交换(为弹性碰撞)。穿过栅极的 电子所形成的板流将随栅极电压VG2的增加而增大。当电子的 能量达到待测气体原子的第一激发电势U0时，电子在空间与 气体原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量交给后 者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于把 绝大部分能量交出，即使穿过了栅极也不能克服反向拒斥电场 而被折回栅极(被筛选掉)。所以阳极电流将显著减小。
实验场地的实景照片
以下是电脑屏幕操作界面
Vr
四、实验内容与步骤
1．实验前先将Ip电流量程选择开关(2)拨至200nA挡。 用串行信号连接线将仪器与微机COM串行口联接。
2.打开电源，预热数分钟后，分别把“电压测量选择 开关”（4）转到“Vf”、“VG1”和“Vp”等位置， 再根据机箱上由厂家所提供的参考值，依次分别按住 “+”、“-”按键把相应的电压调到预定的参考值附 近（注意，当电压测量选择开关指到某一个电压位置， 并且该电压的指示灯亮起来时，此时按下的“+”、 “-”键仅是对这个电压进行调整，与其它的电压无 关。）。
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。
大学弗兰克赫兹实验报告
大学弗兰克赫兹实验报告摘要本实验通过使用弗兰克-赫兹实验装置，通过测量电子在某一金属中的入射电压与出射电流之间的关系，验证了能量量子化的存在。
实验结果表明，电子在金属中的受激发碰撞后可以吸收、释放固定量的能量，而非连续的。
引言20世纪早期，弗兰克与赫兹通过一系列实验，证实了存在能量的量子化现象，这为后来的量子力学理论奠定了基础。
弗兰克-赫兹实验是其中最经典的实验之一，通过测量电子在金属中的入射电压与出射电流之间的关系，验证了能量的量子化。
实验方法实验材料1. 弗兰克-赫兹实验装置：包括真空室、加热器、阴极和阳极等组件。
2. 高压电源：用于给实验装置提供稳定的加速电压。
实验步骤1. 首先，打开真空室的进气阀，将气压降至所需的真空度。
2. 将高压电源接通并调节至一定的电压。
3. 通过加热器加热阴极，使其发射电子。
4. 在实验装置的示波器上观察到一系列的电流峰值，调节加速电压并记录相应的电流数值。
5. 重复步骤4，分别记录对应不同加速电压下的电流数值。
实验结果与分析首先，我们通过测量不同入射电压下的电流数值，绘制了电流-电压曲线如下图所示。
从图中可以明显观察到电流在某些电压点处会急剧下降。
这是因为当电压达到一定值时，电子在金属中的能量足够大，可以克服金属原子的束缚力，进而与原子发生弹性碰撞。
在碰撞过程中，电子可以吸收或释放固定量的能量。
当入射电压低于这个能量量子时，电子无法与原子发生碰撞，因此电流保持较高的数值。
然而，当电压高于这个能量量子时，电子与原子发生碰撞并且吸收能量，导致电流急剧下降。
根据实验数据，我们可以计算得到电子与原子发生碰撞后吸收或释放能量的大小。
通过计算电流峰值出现的能量差，并除以电子的电荷得到每次碰撞吸收或释放能量的大小。
结论通过本次实验，我们验证了弗兰克-赫兹实验中能量量子化的现象。
实验结果显示，电子在金属中受激发碰撞后可以吸收或释放固定量的能量，而非连续的。
弗兰克-赫兹实验
eV0 = E1 − E0
二 实验原理/仪器面板
实验观察与参数调节
1、将扫描开关置于自动、高速档，调节 VF
VP 、 VG1及 VG2， 能看到示波器上出现上图所示曲线，说明VF 、 VP 、 VG1调节到了最佳状态 2、将扫描开关置于手动档，调节VG2，从弗兰克-赫兹仪的 电压电流表读数
弗兰克-赫兹实验背景
1914 年德国科学家弗兰克和赫兹在研究 气体放电中低能电子与原子相互作用时发 现，透过汞蒸汽的电子流随电子的能量呈 现有规律的周期性变化。该实验证实了原 子内部的能量是量子化的。为此1925年弗 兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。
弗 兰 克 JamesFranck ， 1882—1964
G.赫兹 Gustav Hertz， 1887—1975
二 实验原理——原子的吸收和发射
∞ En 电 离
hv = Em − En
Em
原子只能处于一些分立不连续的稳定 的能量状态(简称定态),它的能量变化只 能是突变，即“跃迁”．原子吸收的能 量满足△E=Em-En，原子会从一个定态Em 跃迁到另一个定态 En ， ， 当原子从 En 返 回 Em 时，多余的能量以光子形式辐射出 hv = Em − En 去，辐射的频率满足：
、
三 数据处理及报告要求
1、原始数据抄入正文（2分） 2、作图VG2-IP, 观察是否具有周期性（10分） 3、求第一激发电位（8分） 4、写结果称述（10分） 5、回答教材上问题（10分）
动画、脚本设计：赵改清 课 件 制 作：赵改清
弗兰克赫兹实验 深圳大学 (1)
E<eVp 电子未能穿越 G2P到达板极 形成电流，栅 极电流为零
实验仪器
IP显示 IP放大选择
电压显示
VG2输出 电源开关 自动/手动
IP输出
快速/慢速
电 压 显 示 选 择
VF调节 VG1调节
VP调节 VG2调节
电源
选择X-Y X-左右
自动
1V
Y-上下
2V
X-VG2
DC
DC
DC
Y-Ip
实验内容
F-H管
K
VG1
VG2
VP
G1
G2 μA
P VF
F IP
F:阴极加热丝 K:阴极 G1:控制栅极 G2:加速栅极 P:板极
随着VG2增大，电子与原子碰撞交出 能量给原子的电子比例增多，电子能 量损失后未能穿越G2P区，电流减小。
Ip 继续增高 VG2，电子与原 子碰撞失去能 量后剩余能量 足以穿越G2P 区的电子的比 例越来越多,电 流增大. O E≥eVp 电子穿越G2P形成电流。 VG2 随着VG2增大，能够穿越G2P 的电子数量越来越多，IP增大。
弗兰克-赫兹实验
指导教师：杜宇
弗兰克、赫兹简介
1914 年德国科学家弗兰克和赫兹在研究气体放电 中低能电子与原子相互作用时发现，透过汞蒸汽的 电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化。该 实验证实了原子内部的能量是量子化的。为此1925 年弗兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。
弗 兰 克 JamesFranck ， 1882—1964
• 利用示波器观察IP-VG2关系曲线 • 连续记录VG2与IP值. • 描绘出IP-VG2关系曲线. • 测量出氩的第一激发电位V .
0
《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。
弗兰克赫兹实验实验报告
弗兰克赫兹实验实验报告SANY标准化小组#QS8QHHGNHHJ8赫兹实验一实验口的通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。
二实验原理1激发电势玻尔的原子能级理论(1)原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（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了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足hv=EmE(2)时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。
相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。
夫兰克赫兹管第一激发电势的厂Ua曲线在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出，阴极|K和栅极G仟弹|旳加速电丿土“供电子加速。
在板极A和栅极G之间加有拒斥电压。
尊超餉L匍分布如图2示。
当电子通过KG空间进入GA空间时，如果有较大的能量（MeUQ,就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA检测出。
如果电子在KG空间与汞原子碰撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。
这时，通过微电流计的电流将显着的减小。
实验时，观察电流计的电流随逐渐增加时的现象。
如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的LUGK曲线。
而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差U,1A夫兰克5)13.65.939.07.959.012.1121.024.02数据处理(1)根据实验原理可以得到第一激发电势为%=心=久叶一稣H或匕=SUn=你心”谷”，得故(2)不确定度计算A类分量B类不确定度分量合成不确定度(3)第一激发电势为六实验结果及讨论1、山实验图象可以验证了汞原子的能级存在，并根据实验数据计算得到汞原子的第一激发电势为久=帀b=（4.60.3）U,与公认的理论值匕,=4.9V符合的较好。
弗兰克—赫兹实验
弗兰克—赫兹实验实验题目：弗兰克—赫兹(F —H)实验实验原理：1 跃迁原理根据波尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一个定态相应一定的能量常称为能级，其数值彼此分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子。
然而，原子若与一定能量的电子发生碰撞，也可以使原子从低能级跃迁到高能级。
夫兰克—赫兹实验正是利用电子和原子的碰撞来实现这种跃迁。
通过控制加速电压U ，来控制电子的动能221mV ，当221122n m eU mV E E mV '==-+ 式中n m E E ,表示碰撞前后能级的能量，',V V 指碰撞前后电子的速度。
如果,1,0==n m跃迁到第一激发态；如果n ≤2∞<，跃迁到较高激发态；如果n →∞，此时原子被电离。
2 汞原子的能级结构本F —H 实验使用的碰撞管是充汞的，因为汞是单原子分子，能级较为简单。
汞原子是由原子核和核外80个电子组成的，在满的支壳外有两个价电子，在正常情况下，这两个电子都处于6s 态，所以它的基态组态为6s 2及基态的LS 组态为1S 0 。
处于激发态时，一个6s 电子可能被激发到较高的61P 1，63P 0 1 2， 61D 1，63D 1 2 3，61F 1，63F 2 3 4，71S 0等能量状态，甚至电离，而另一个电子仍留在6s 态，具体能级如图1所示。
且汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸汽压很低，加热就可改变它的饱和蒸汽压，汞的原子量较大与电子作弹性碰撞时，电子损失的能量极小，且电正性的汞也不容易和电子亲和而形成负离子，可以用来研究电子和原子碰撞的规律。
3 充汞的夫兰克—赫兹管的内部原理充汞的夫兰克—赫兹管如图2所示。
电子由热阴极发出，在整个实验过程中，阴极K 和第一栅极G 1之间为加速区，第一栅极G 1和第二栅极G 2为碰撞区（测第一激发电位同时也是加速区），第二栅极G 2和极板A 为反向区。
管内的总体电位如图3所示。
弗兰克赫兹实验研究电子的碰撞过程
弗兰克赫兹实验研究电子的碰撞过程弗兰克赫兹实验是20世纪早期，德国科学家弗兰克和赫兹进行的一项重要实验，目的是研究电子在气体中的碰撞过程。
这项实验为量子力学的发展奠定了基础，并在当时引起了广泛的关注和讨论。
1. 弗兰克赫兹实验的基本原理弗兰克赫兹实验是通过在真空室中放置一定压强的气体，加上一定电压，通过测量电流的变化来研究电子的碰撞过程。
实验装置通常由一个陈列管、一个电子枪和一个电流计组成。
2. 实验步骤及测量结果实验中，通过电子枪发射高速电子束，电子束经过陈列管后与气体分子发生碰撞，并使相应电流发生变化。
根据测量到的电流变化曲线，可以得到电子束穿过气体分子时的能量转移情况。
弗兰克赫兹实验发现了一些重要现象，例如电流的阶梯式变化与气体压强、电子束能量和气体种类之间的关系。
这些实验结果为对电子与气体作用的量子本质进行了解释。
3. 实验结果的解释弗兰克赫兹实验结果的解释使得物理学家们开始认识到，电子在经过气体分子时，能量的传递并不是连续的，而是以量子化的方式进行。
这一发现奠定了量子力学的基础，为后来量子力学的理论建立奠定了基础。
4. 弗兰克赫兹实验的意义弗兰克赫兹实验对于科学界的意义重大，它不仅验证了能量的量子化现象存在，还揭示了电子与气体分子之间的相互作用机制。
这一实验分析了电子在碰撞过程中的能量转移，为后来的研究提供了重要的参考依据。
5. 弗兰克赫兹实验的影响弗兰克赫兹实验的结果引起了广泛的关注和讨论，对当时的物理学界产生了深远的影响。
它为量子力学的发展提供了重要的实验依据，并推动了人们对微观世界的认识。
总结：弗兰克赫兹实验是20世纪早期量子力学发展的重要里程碑。
通过对电子在气体中碰撞过程的研究和测量，揭示了能量的量子化现象，并建立了量子力学的基础。
该实验的结果对后来的科学研究产生了深远的影响，并推动了对微观世界的认识。
通过不断探索电子的碰撞过程，人们对量子力学的认识进一步完善，为当今物理学研究提供了宝贵的经验和理论基础。
弗兰克赫兹实验部分现象的理论解释
数据处理
处理结果
温度T/K
433
碰撞前能量（VG2P）/eV 6.2
碰撞损失能量/eV
5.0375
（第一激发能平均值）
额外加速能量/eV
1.1625
额外加速程/mm
0.071
散射截面σ/cosθ╳10- 13.2 20m2
443 5.8 4.9625
0.8375 0.049 10.3
453 5.7Hale Waihona Puke 4.9225额外加速程/mm
0.087 0.073 0.058 0.045
散射截面σ/cosθ╳10-20m2 4.6
5.5
6.9
8.9
理论验证
σ/cosθ╳10-20m2
cosθ取合适值（0~1之 间），便可得到与文献 值吻合的散射截面
个人理解（基于文献[1]）
个人理解（基于文献[1]）
• 文献描述
个人理解（基于文献[1]）
• [3]蔺明婕,俞颉翔,白翠琴,潘玉莲,马世红.弗兰克2 赫兹实验中温度与电子平均自由程的关系[J] 物 理实验 2009 29（3） 39~43.
特别鸣谢
• 10级光科学系 刘畅同学的ppt 对我的实验改进有诸多帮助
Thank you! Q&A
最终发生非弹性碰 撞激发，不一定是 第一激发能（高激 发能也可能参与）
剩余能量理论
• 平均自由程 • 对应一部分“额外加
速程”
单次碰撞额外加速与n有关 还与平均自由程有关
验证实验
• 测量额外加速获得能量以验证理论 • 有关量 • 平均自由程
——
• 峰位数n
改变炉温
—— 观察同一炉温下不同峰位额外 加速程
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)
大学物理基础实验夫兰克赫兹实验
contents
目录
• 实验简介 • 实验设备与材料 • 实验过程与数据记录 • 实验结果与讨论 • 结论与建议
01 实验简介
实验目的
掌握夫兰克赫兹实验的基本原理和方法。 了解电子在气体中的能量分布情况。 了解夫兰克赫兹常数电子发生碰撞，使 电子的能量降低，并产生光子。
通过测量电子在气体中碰撞后产 生的光子的能量，可以推算出电
子的初始能量。
通过测量不同气体中电子的能量 分布，可以得出夫兰克赫兹常数。
实验步骤
准备实验器材：夫兰克赫兹 管、高压电源、测量仪器等。
将夫兰克赫兹管抽成真空状 态，并通入适当的气体。
02
01
调整高压电源，使电子在气
体中通过。
03
使用测量仪器测量光子的能 量和数量。
为了减小误差，建议使用更精确 的测量仪器，如高精度的电流表 和电压表，以提高实验数据的准 确性。
优化实验条件
控制环境因素，如温度和湿度， 以减少其对实验结果的影响。此 外，确保电极间距均匀，以减小 测量误差。
对未来学习的建议
理论与实践结合
建议学生在学习过程中注重理论与实践相结合，通过实验加深对物理理论的理 解。
04
05
根据测量结果计算夫兰克赫 兹常数。
02 实验设备与材料
实验设备
夫兰克赫兹实验装置
真空泵
包括放电电极、真空玻璃管、高压电 源和控制电路等部分，用于产生和测 量夫兰克赫兹辐射。
用于抽真空，确保玻璃管内的气体被 充分排除。
测量仪器
包括电流表、电压表、频率计和示波 器等，用于测量放电电流、电压、频 率和波形等参数。
结果讨论与误差分析
实验一 弗兰克-赫兹实验
夫兰克—赫兹实验【实验目的】1、通过测定氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在，了解原子能级的量子化结构；2、学习夫兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和实验方法，了解电子与原子弹性碰撞和非弹性碰撞的机理。
3、练习使用微机控制的实验数据采集系统。
【实验原理】20世纪初，在原子光谱的研究中确定了原子能级的存在．原子光谱中的每根谱线就是原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射形成的．原子能极的存在，除了可由光谱研究证实外，还可利用慢电子轰击稀薄气体原子的方法来证明．1914年夫兰克-赫兹采用这种方法研究了电子与原子碰撞前后电子能量改变的情况，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立态的存在．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假设中的频率定则．夫兰克-赫兹实验的结果为玻尔的原子模型理论提供了直接证据，他们获得了1925年度的诺贝尔物理奖．根据玻尔理论，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．夫兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁．设1E 和0E 分别为原子的第一激发态和基态能量．初动能为零的电子在电位差1V 的电场作用下获得能量1eV ，如果 211012e eV m v E E ==-， 那么当电子与原子发生碰撞时，原子将从电子获取能量而从基态跃迁到第一激发态．相应的电位差就称为原子的第一激发电位．夫兰克—赫兹实验原理如图1所示．充氩气的夫兰克—赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极K 和栅极G 之间的加速电压G V 使电子加速，在板极P 和栅极G 之间有减速电压P V ．当电子通过栅极G 进入GP 空间时，如果能量大于P eV ，就能到达板极形成电流p I ．电子在KG 2空间与氩原子发生非弹性碰撞，电子本身剩余的能量小于P eV ，则电子不能到达板极，板极电流将会随着栅极电压的增加而减少．实验时使G V 逐渐增加，观察板极电流的变化将得到如图3所示的P G I V 曲线．图1 夫兰克一赫兹实验原理图（三极）随着G V 的增加，电子的能量增加，当电子与氩原子碰撞后仍留下足够的能量，可以克服GP 空间的减速电场而到达板极时，板极电流又开始上升．如果电子在加速电场得到的能量等于2E 时，电子在KG 空间会因二次非弹性碰撞而失去能量，结果板极电流第二次下降．在加速电压较高的情况下，电子在运动过程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞，在P G I V 关系曲线上就表现为多次下降．对氩来说，曲线上相邻两峰（或谷）之间的G V 之差，即为氩原子的第一激发电位．这就证明了氩原子能量状态的不连续性．也可以在三极的F-H 管的阴极附近加一控制栅极改为四极管，如图2所示．图中G 1为控制栅极，其作用是加一个正向电压1G V ，用以消除电子在阴极附近的堆积效应，并起到控制电子流大小的作用．1G V 的大小一般取在1-2伏． 【实验装置】FD-FH-Ⅰ型夫兰克—赫兹实验仪、示波器图5 FD-FH-Ⅰ型夫兰克—赫兹实验仪正面板示意图（1） p I 电流显示 注：表头示值乘以(2)指示挡后即为p I 电流实际测量值； 图4 实验装置V G2图3 p I ～2G V 曲线图2 夫兰克一赫兹实验原理图（四（2） p I 电流增益波段开关：分为A μ1、nA 100、nA 10、nA 1四档；（3） 电压显示 注：与（8）相关，可以分别显示F V 、1G V 、P V 、2G V 值，其中2G V 的实际测量值为表头数示值“V 10⨯”； （4）2G V 电压调节旋钮； （5） P V 电压调节旋钮； （6） 1G V 电压调节旋钮； （7） F V 电压调节旋钮；（8） 电压值示波段开关：与（3）相关，旋转指示F V 、1G V 、P V 、2G V 电压数值； （9） p I 输出端口：接示波器；（10）2G V 扫描速度开关：达“快速”时可以在示波器上观察稳定的2p G I V ～曲线图样；（11）2G V 扫描开关：接示波器时拨至“自动”档，可以观察曲线图，记录数据时拨至“手动”档； （12）2G V 输出端口：接示波器； （13） 电源开关． 【实验内容及步骤】 开机预热5分钟 1．手动测量2p G I V ～曲线将扫描开关拨至“手动”档扫描速度开关调至“慢速”，调节2G V 至最小，然后逐渐增大其值，寻找p I 值的极大和极小值点，以及相应的2G V 值，即找出对应的极值点（2G V ，p I ），也即2P G I V 关系曲线中波峰和波谷的位置，相邻波峰或波谷的横坐标之差就是氩的第一激发电位．每隔1V 记录一组数据，列出表格，然后描画氩的2PG I V 关系曲线图．注：记录数据时，p I 电流值应为表头示值乘以电流增益波段开关选择的档示值，如表头显示“3.23”，电流增益波段开关选择“10nA ”，那么实际测量p I 电流值应该为“32.3nA ”；而2G V 实际测量值应该为：表头示值10V ⨯，如，表头显示“6.35”，那么实际2G V 电压值应为“63.5V ”． 2．用计算机采集软件记录2p G I V ～曲线(1)把扫描开关调至“自动”档，扫描速度开关调至“快速”，把p I 电流增益波段开关拨至“nA 10”；(2)分别调节F V 、1G V 、P V 电压至主机上部厂商标定数值，将2G V 调节至最大，此时打开计算机上数据采集软件记录氩的2p G I V ～曲线． 【数据处理】表一 F V = ，1G V = ，P V =2()G V V 从10V-100V 每个1V 测量一次电流强度1）在坐标纸上手绘2P G I V 曲线；2）记录峰值对应的2G V 值i V ，填入下表格：根据式子1133r A iV V =⋅∆∑，计算氩原子的第一激发电位r A V ，并与其公认值11.8V 进行比较． 3) 将计算机采集软件记录2p G I V ～曲线打印附于实验报告后【注意事项】1．仪器应该检查无误后才能接通电源．开关电源前应先将各电位器逆时针旋转至最小值位置． 2．灯丝电压不宜过大，一般在2V 左右，如电流偏小再适当增加．3．调节2G V 和F V 时注意，2G V 和F V 过大会导致管子电离，此时管内电流会自发增大至烧毁管子，所以一旦发现P I 出现负值或者正值超过10A μ，应迅速关机，5分钟后再重新开机做实验． 4．实验完毕，应将各电位器逆时针旋转至最小值位置． 【思考题】1．2P G I V 曲线形成的物理过程是什么？为什么2P G I V 曲线峰值越来越高？2．2P G I V 曲线中的第一个峰值对应的横坐标电压值，是否就是氩原子的第一激发电位？请说明原因．3．为什么夫兰克-赫兹管的栅极和板极之间要加反向拒斥电压?拒斥电压P V 对P I 如何影响？ 4．为什么2PG I V 呈周期性的变化？5．灯丝电压的改变对F —H 实验有何影响？对第一激发电位有何影响？ 6．F —H 实验是如何观测到原子能级变化的?。
弗兰克赫兹实验电子在磁场中的轨迹
弗兰克赫兹实验电子在磁场中的轨迹弗兰克-赫兹实验是一项经典的物理实验，它揭示了电子在磁场中的轨迹。
这个实验为我们理解原子结构和量子力学的发展做出了重要贡献。
实验过程：弗兰克-赫兹实验使用了一种称为气体放电管的装置。
这个装置由一个玻璃管构成，其中填充了一定压力的气体。
两个电极分别位于管的两端，一个阳极和一个阴极，它们之间加有可变的电压。
当电压升高到一定程度时，电流开始流动。
实验者通过改变电压的大小，观察到的电流随电压变化的规律。
实验结果：实验发现，当电压较小时，电流基本上为零。
随着电压的升高，电流开始增加，并呈现尖峰的形状。
当电压继续增加时，电流的峰值开始递减，直到电流再次减至零。
这个过程被称为“阶梯图”。
解释实验结果：这个实验结果表明，气体放电管中的电子遭遇到了某种阻碍，阻碍使其无法通过。
（这个地方可以增加字数来解释阻碍的原因。
）当电压足够高时，电子能克服这个阻碍，并通过管子流动，形成电流。
但是在阻碍处，电子遭受到了阻碍的能量损失，导致电流的减少。
这种能量损失可以解释为电子与气体原子碰撞时发生的。
当电子穿过气体原子的阻碍层时，它们会受到碰撞并损失能量。
通过实验观察到的电流阶梯图其实反映了电子在气体放电管中运动轨迹的变化。
每个层次的峰值对应于电子通过的过程。
实验者通过观察和时间的对比，得出了关于电子在磁场中的轨迹的结论。
应用与意义：弗兰克-赫兹实验的发现改变了人们对原子结构的认识。
实验结果表明，原子是由具有不同能级的能量层构成的。
电子通过吸收或释放能量进行能级之间的跃迁，这解释了光谱线的形成和原子光谱的特性。
这个实验也为量子力学的发展做出了贡献，量子力学是研究微观世界行为的理论框架。
弗兰克-赫兹实验揭示了电子行为的波粒二象性，奠定了量子力学的基础。
总结：弗兰克-赫兹实验是一项重要的物理实验，通过观察电压和电流的变化，揭示了电子在磁场中的轨迹。
它的发现对于理解原子结构和量子力学的发展有着重要意义。
这个实验的结果呈现为阶梯状的图像，代表了电子穿越气体原子层的过程，反映了电子在磁场中运动的规律。
弗兰克赫兹实验
弗兰克－赫兹实验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：（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：n m h E E ν=-其中346.6310h J s -=⨯⋅称作普朗克常数。
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。
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g h eU ν=式中g U 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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当电子的加速电压V≥原子第一激发电势V1 电子与原子碰撞发生动能与内能的交换
为“非弹性碰撞”
电子碰撞后速度变慢，原子会辐射光子
F-H管
VG1
K
G1
VF
F
VG2 G2 P
VP μA
IP
F:阴极加热丝 K:阴极 G1:控制栅极 G2:加速栅极 P:板极
随着VG2增大，电子与原子碰撞交出 能量给原子的电子比例增多，电子能
量损失后未能穿越G2P区，电流减小。
Ip
E<eVp 电子未能穿越 G2P到达板极 形成电流，栅 极电流为零
O
继续增高 VG2，电子与原 子碰撞失去能 量后剩余能量 足以穿越G2P 区的电子的比 例越来越多,电 流增大.
VG2
E≥eVp 电子穿越G2P形成电流。
随着VG2增大，能够穿越G2P 的电子数量越来越多，IP增大。
数据处理
实验数据表
UG2 (× 10v)
IP (×10-8A)
UG2 (× 10v)
IP
UG2
IP
×10-8A ) (× 10v) (×10-8A )
实验曲线-用坐标纸
IP(10-8A)
50
Ip-VG2特性曲线
45
40
35
3
U
0
0
1 9
(U 4
U1
U5
U2
U6
U3)
(V)
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
UG2(V)
ห้องสมุดไป่ตู้
求相对误差，理论值11.61V，得出实 验结论
思考题
如何计算本实验中氩原子所辐射的波长？
可能两个原因，一，电压越大各个方 向随机的热电子更可能向阳极运动， 二，电场越大电子被加速的越快，能 量越大的电子越容易与中性气体分子 碰撞产生并使其激发产生新的自由电 子。
G.赫兹 Gustav Hertz， 1887—1975
实验目的
了解弗兰克-赫兹实验的原理和实验方法 测量氩原子的第一激发电位,证明原子能级
的存在
实验原理
放出 能量
原子只能较长久地停留在一 些稳定的能量状态(简称定态),
它的能量不可能连续变化而只
能是突变，即“跃迁”．原子
从一个定态跃迁到另一个定态
实验仪器
IP显示
IP放大选择
电压显示
电
VG2输出
IP输出
压
显
电源开关
示
自动/手动
快速/慢速
选 择
VF调节
VP调节
VG1调节
VG2调节
电源
选择X-Y
自动
X-左右
1V
Y-上下
2V
X-VG2
DC
DC
DC Y-Ip
实验内容
• 利用示波器观察IP-VG2关系曲线 • 连续记录VG2与IP值. • 描绘出IP-VG2关系曲线. • 测量出氩的第一激发电位V0.
弗兰克-赫兹实验
指导教师：杜宇
弗兰克、赫兹简介
1914 年德国科学家弗兰克和赫兹在研究气体放电 中低能电子与原子相互作用时发现，透过汞蒸汽的 电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化。该 实验证实了原子内部的能量是量子化的。为此1925 年弗兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。
弗 兰 克 JamesFranck ， 1882—1964
而发射或吸收能量，辐射的频
率是一定的：
hv Em En
以电量为e电子，在电位差
V1 的 加 速 电 场 作 用 下 ， 来 使 原子从基态能E。跃迁到第一
吸收
激发态能量E1
能量
eV1 E1 E0
当电子的加速电压V<原子第一激发电势V1 电子与原子碰撞没有发生动能与内能的交换，
为“弹性碰撞”