弗兰克赫兹实验

设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态。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
eU0 =hν = E2 - E1
当电子与原子发生碰撞时，原子从电子获取 能量而从基态跃迁到第一激发态。相应的电位差 Ug就称为氩原子的第一激发电位。当电子的能量 等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。
0
20
40
60
80
100
VG2(V)
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位？它和原子能 级有什么关系？ 3. 为什么Ip－VG2曲线上的各谷点电流随VG2 的增大而增大？
特别提示
• • • 上实验课时，一定要带上 预习报告。 实验报告纸。 坐标纸（与报告纸等大）。★
1913年赫兹和弗兰克一起开始研究电子碰 撞。 G.赫兹发表了许多关于电子和原子间能量 交换的论文和关于测量电离电势的论文。有些 是单独完成的，有些是和弗兰克、克洛珀斯合 作的。他还有一些关于分离同位素的著作。 G.赫兹是德国科学院院士，1975年在柏林 去世。享年88岁。
1913年丹麦物理学家玻尔（NBohr）提出了 原子能级的概念并建立了原子模型理论。
由玻尔理论可知，处于基态的原子发 生状态改变时，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（电子不损失能量）；若电子 能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞 （电子把数值为△E= E2 - E1 的能量交给 氩原子，只保留余下的部分）；
作用实验室主任，对各种生物过程、特别是光合作用的物
理化学机制进行了研究。 1964年弗兰克在访问格丁根时于5月21日逝世。享年82 岁。
G.赫兹1887年7月22日出生于汉堡。他是电磁波的发现者H.赫兹的侄 子。赫兹于1906年进入格丁根大学，后来在慕尼黑和柏林大学学习， 1911年毕业。1913年任柏林大学物理研究所研究助理。第一次世界大战 爆发，赫兹1914年从军，1915年在一次作战中负重伤，1917年回到柏林 当校外教师。1920年到1925年间，赫兹在埃因霍温的菲利普白炽灯厂物 理研究室工作。1925年赫兹被选为哈雷大学的教授和物理研究所所长。 1928年回到柏林任夏洛腾堡工业大学物理教研室主任。1935年由于政 治原因辞去了主任职务，又回到工业界，担任西蒙公司研究室主任。 1945年到 1954年在苏联工作，领导一个研究室，这期间他被任命为莱比 锡卡尔· 马克思大学物理研究所所长和教授。1961年退休，先后在莱比锡 和柏林居住。
大学物理实验
弗兰克-赫兹实验
弗兰克 (James Franck ,1882-1964)
G.赫兹 (Gustav Hertz ,1887-1975)
人物简介
弗兰克1882年8月26日出生于德国汉堡。在海德堡大 学学了一年化学，1902年入柏林大学学习物理学。1906 年在瓦尔堡导师的指导下，获博士学位。在法兰克福大 学担任助教，不久又返回柏林大学任助教。1911年获得 柏林大学物理学“大学授课资格”，在柏林大学讲课直 到1918年（由于战争而中断了教学。战争中曾获一级铁 十字勋章），后成为该大学的物理学副教授。1917年任 威廉皇帝物理化学研究所的分部主任。1921年受聘为格 丁根大学教授，并担任第二实验物理学研究所主任。
hv E n E m
∞
En
其中h = 6.63×10ˉ J· s， 称为普朗克常数。 ν为频率，En、Em为两个 不同定态的能量
34
电 离
hv=En-Em
Em
E1第一激发态
E0基态
通常在两种情况下原子发生状态的改变。 一：原子本身吸收或放出电磁辐射； 二：原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。 本实验利用具有一定能量的电子与氩原子 发生碰撞而产生能量交换，实现氩原子状 态的改变。
差
E= eν
四、实验内容
测量氩原子的第一激发电位。
通过曲线，观察原子能量量子化情况， 证明原子能级的存在，并求出氩原子的第 一激发电位。
五、实验步骤：
1 .将弗兰克赫兹仪器 的“信号输出”与示 波器的“CH1输入 （X）”相连； 仪器的“同步输出” 与示波器的“外接输 入”相连。
2．打开仪器电源和示波器电源。 将仪器方式设置为扫描，设置灯丝电压Vf,第一 栅压VG1,拒斥电压Vp （具体参数由实验室提供） 第 二栅压VG2（0-90v)。预热五分钟，调节示波器，在 示波器上观看得
（逐渐调节VG2，稳定工作范围为0 ～90V之间）
• 提示：我们实验室有两种仪器，使用时注意各自标注的参数。
六：数据处理要求
1.整理原始数据（峰、谷处多保留几个实验点）用 整理后的数据在坐标纸上描绘出Ip-VG2的关系 曲线，规范作图。确定出Ip极大时所对应的电压。
2.用逐差法处理数据求出氩原子的第一激发电位 Vg。
3.Vg测与Vg理=11.61v进行比较，计算出相对误差写 出完整的结果表达式。得出结论（出现吸收峰， 说明原子能量不连续。峰值等间隔，说明同类原 子的第一激发电位相同）。
注意：
1、（旧仪器打开电源前，必须将几个电压的旋钮逆 时针旋到底。各电压值须按照给定值进行设置； 2、VG2设定终止值不要超过90V。 3、手动测试完毕后，尽快将VG2减为零。
1933年为抗议希特勒反犹太法，弗兰克公开发表声明 并辞去教授职务，离开德国去哥本哈根；一年后他移居美
国，成为美国公民。1935年— 1938年任约翰· 霍布金斯大
学物理系教授。1938年起任芝加哥大学物理化学教授，直 到1949年退休。第二次世界大战期间，他参加了研制原子 弹有关的工程，但与大多数科学家一样，他反对对日本使 用原子武器。在芝加哥大学期间，弗兰克还担任该校光合
到的Ip-VG2图，
是否符合实验 要求（有六个 以上的波峰）。
将方式档位调到手动档位调节加速电压 （VG2）以0.5V为步长，从10.0V开始,记 录对应的电流值。当电流出现6个峰后， 结束测量。 将实验装置恢复为原始状态，关闭仪 器电源和示波器电源。
★新仪器选择“自动”“快速”档，调节Vf 、 VG1 、
七、实验数据表?
VG2(V) Ip(uA) VG2(V) Ip(uA) VG2(V) Ip(uA)
30
班级
姓名
25
20 Ip(uA) 15 10 5 0
(87.5,20.0) (74.5,17.5) (62.2,16.3) (49.9,13.6) (37.9,11.2) (26.9,8.0) (17.0,3.5)
差
E＝E2E1
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. G2-A区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。当电子进入此区间
时的能量小于Eu, 则不能达到板极。
由此可见，若eνG2<E，则电子带着eνG2的能量进入G2-A区域。随 着νG2的增加，板极电流Ip增加（如图2中Oa段）形成第一个波峰。若 eνG2＝E则电子在达到G2处刚够临界能量，不过它立即开始消耗能量 了。继续增大νG2，电子能量被吸收的概率逐渐增加，板极电流逐渐 下降（如图2中ab段）形成第一个波谷。
弗兰克-赫兹管的Ip-UG2曲线 电流 周期的来源 ：
电子在不同区间的情况：
I (nA)
1. K-G1区间
电子迅速被
电场加速而获得能量。 2. G1-G2区间 电子继续从
电场获得能量并不断与氩原
子碰撞。当能量小于氩原 子第一激发态与基态的能级
O
abc
U1
U2
U3
U4
U5
U6
U7
VG2(v)
图2弗兰克-赫兹实验VG2~Ip曲线图
一、实验目的：
• 通过弗兰克-赫兹实验了解原子内部能量量子化的 情况。 • 学习 F-H 研究气体放电现象中低能电子与原子间 相互作用的实验思想及实验方法。 • 测量氩原子的第一激发电位,证明原子分立态（能 级）的存在；
二、实验仪器
FH2051弗兰克-赫兹实验仪 YB4320模拟示波器
三、实验原理：
• 实验特点：
• 本实验简单、巧妙、清晰地揭示了原子的 能级图像。
弗兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，
弗兰克一赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充氩四级电子管。 阴极K，板极A，第一栅极G1 、第二栅极G2。 第一栅极G1的作用主要是消除空间电荷对 微电流仪 Ip 阴极电子发射的影响，提高发射效率。 A UP 第一栅极G1与阴极K之间的电压由 G2 电源UG1 提供。 电子 灯丝电源（Uf）：（可调正电压）加热灯丝， 使旁热式阴极K被加热，从而产生慢电子。 UG22 加速电源（UG2）：加在第二栅极G2和阴极K间， 氩 原 子 建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被 G1 加速，穿过管内氩蒸气朝第二栅极G2运动，迅速 UG1 到达阳极。 K 拒斥电压(UP):在第二栅极与阳极之间加一 反向电压，阻止沿电场方向动能小于e UP 灯 丝 电 压Uf 的电子到达板极A.
弹性碰撞 ---- 波峰
非弹性碰撞---- 波谷
继续增大νG2，电子碰撞后的剩余能量也增加， 到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc段）出
现第二个波峰。若eνG2>nE则电子在进入G2-A区
域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。板极电
流Ip随加速电压变化曲线就形成n个峰值，如图2
所示。相邻峰值之间的电压差V称为氩原子的第 一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级
Vp 、（实验室给定的参考值），按“方式”键至： “手动”自动转至VG2，调节示wk.baidu.com器，观察弗兰克-赫 兹实验曲线。
★旧仪器选择“手动”、“慢速”档，手动调节VG1、
Vp 、Vf、加速电压VG2，至给定的参数值，使图形出现 6个完整的波峰、波谷，认真记录数据，在峰、谷附 近多测几组数，便于作图拐点平滑。
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Em）向低能态（能量En） 跃迁时才辐射。辐射能量满足
E = Em En
（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年弗兰克（JFranck）和赫兹（GHertz）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 玻尔的原子模型理论提供了直接证据，对玻尔的原子理论 是一个极有力的支持。 玻尔因原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖。 弗兰克与赫兹的实验于1925年获诺贝尔物理学奖。弗 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。
玻尔原子理论的两个基本假设：
(1)定态假设。原子只能处在一些稳定的状态中， 其中每一状态对应一定的能量值Ej ( j = 1，2， 3.。。。 )。这些数值是彼此分立的，不连续的。 (2)频率定则。当原子从一个稳定状态过度到另一个稳 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：
图1弗兰克-赫兹实验原理图
在充氩的弗兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出并有 热阴极K和第二栅极G2 之间的加速电压 UG2 使电子加速。 在板极P和第二栅极 G2 之间加有反向拒斥电压 UP 用以 阻碍电子从栅极飞向阳极。当电子通过空间 KG2进入空间 G2P时，如果具有的能量较大（E1-E0>eUP），就能冲过反 向拒斥电场而达到阳极形成阳极电流，用微电流计测出。 如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把一部分能量传递给 氩原子使其激发，电子本身所剩余的能量就很小，以至通 过第二栅极后以不足克服拒斥电场而被斥回到第二栅极。 这时通过微电流计的电流就将明显减小。