弗兰克赫兹实验
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1、通过测量氩原子的第一激发电位,证明 原子能级的存在,加深对原子结构的了解； 2、了解弗兰克-赫兹实验的设计思想和基
本实验方法；
3、掌握测量氩原子第一激发电位的方法。
P234 思考题1、2
二、实验原理
2.1、实验原理图
2.2、物理过程 2.3、 I-UGK 曲 线
2.1、实验原理图
灯丝电压Vf
实验背景知识
玻尔理论建立的三个物理学基础：
1、以实验为基础的原子的核式结构模型；
2、光谱的实验资料和经验规律；
3、从黑体辐射的事实发展出来的量子论。
在这个基础上，玻尔推究原子内部的情
况，在原子物理学上跨进了一大步。
玻尔提出的原子理论有两个基本假设：
(1) 原子只能较长久地停留在一些稳定状态，简称“定 态”，原子在这些状态时不发射也不吸收能量，各定态
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 James Franck， 1882—1964 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
Gustav Hertz， 1887—1975 理学奖。
85.0
UG2 (v)
IP/(nA)
…….
…….
电压间隔1伏, 仪器显示是间隔0.1伏. IP根据实际情况选择合适档位
实验曲线-用坐标纸
50 45 40 35
U0
1 (U U1 U 6 U 2 U 7 U 3 U 8 U 4 ) 16 5
(V)
IP -U V G 2 G2 -I P 特性曲线
I P (10 - 8 A)
30 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
U G 2 (V)
用逐差法计算U0 求相对误差Er，U0理论值11.55V.
电压峰位
最高峰位号
1
2
3
4
5
6
对应的电 压/Vi
逐差法计算峰位间隔 V=[(V4-V1)+(V5-V2)+(V6-V3)]/(3*3) V=[(V3-V1)+(V4-V2)]/(2*2)
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U0 手 动 测 量 氩 原 子 的 IP-VG2 曲 线 ， 每 变 化
0.5V 测量一个点，选择 60-80 个数据作图，标
出峰值，利用逐差法计算出氩原子的第一激发
电位，和参考值比较。
五、实验数据处理
UG2 (v) IP/ (nA) 0 1.0 2.0 3.0 ……. …….
IP输出
快速/慢速
电 压 显 示 选 择
UF调节 UG1调节
UP调节 UG2调节
四、实验内容
注意：实验仪器需预热20-30分钟
VG2值为表头示数10
1、各电压值须按照给定值进行设置；
2、UG2设定终止值不要超过90V。
3、手动测试完毕后，尽快将UG2减为零。
P234实验内容和步骤2、3
测量氩原子的第一激发电位，通过曲线观
弗兰克-赫兹实验
Franck-Hertz experiment
大学物理与实验教育教学研究中心
概
述
弗兰克(James Franck)—赫兹(Gustav
Hertz)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Ar原子具有玻尔 (Bohr)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。
UFபைடு நூலகம்
UG1K
UG2K
UG2P
继续增大UG2，IP会再次出 现波峰、波谷，如图所示形 成规则起伏变化的Ip～UG2K 曲线。而相邻两次板流Ip下 降所对应的栅极电压之差， 就是氩原子的第一激发电位
UF
UG1K
UG2K
UG2P
U0
E=eU0
三、实验仪器
IP显示 IP放大选择 电压显示
UG2输出 电源开关 自动/手动
的能量是彼此分隔的．原子的能量不论通过什么方式发
生改变，只能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：
hv Em En
式中 h为普朗克常量．
一、实验目的
时为非弹性碰撞。
（3）G2-P区间电子受阻 若eUG2<E ，则电子带着 eUG2的能量进入G2-P区。随 着UG2的增加，板级电流IP增 加（如图中oa段）形成第一 个波峰。 若 eUG2=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UG2，电子能量被吸收 的概率逐渐增加，板极电流 逐渐下降(如图中ab段），形 成第一个波谷。
栅极-阴极电压VG1
VG2
减速电压VP
弗兰克-赫兹实验装置示意图
2.2、物理过程
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惰性气体Ar原子相碰撞。 设Ar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<E2－E1这份能量，则电子与Ar原子 只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。
当电子的能量eU≥ E2－E1时，电子与Ar原子就会 发生非弹性碰撞，Ar原子将从电子的能量中吸收相当 于E2－E1的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，
而多余的部分仍留给电子。
设使电子具有E2－E1能量所需加速电场的电位差为
U0，则
eU0 = E2－E1
式中：U0为Ar原子的第一激发电位，即本实验要测的
物理量。
E= E2－E1 称为临界能量
2.3、Ip-UG2K 曲 线
（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
UF
UG1K
UG2K
UG2P
电场获得能量，并不断与氩
原子碰撞。 当电子能量小于E= E2－E1 时为弹性碰撞； 当电子能量大于E= E2－E1
本实验方法；
3、掌握测量氩原子第一激发电位的方法。
P234 思考题1、2
二、实验原理
2.1、实验原理图
2.2、物理过程 2.3、 I-UGK 曲 线
2.1、实验原理图
灯丝电压Vf
实验背景知识
玻尔理论建立的三个物理学基础：
1、以实验为基础的原子的核式结构模型；
2、光谱的实验资料和经验规律；
3、从黑体辐射的事实发展出来的量子论。
在这个基础上，玻尔推究原子内部的情
况，在原子物理学上跨进了一大步。
玻尔提出的原子理论有两个基本假设：
(1) 原子只能较长久地停留在一些稳定状态，简称“定 态”，原子在这些状态时不发射也不吸收能量，各定态
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 James Franck， 1882—1964 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
Gustav Hertz， 1887—1975 理学奖。
85.0
UG2 (v)
IP/(nA)
…….
…….
电压间隔1伏, 仪器显示是间隔0.1伏. IP根据实际情况选择合适档位
实验曲线-用坐标纸
50 45 40 35
U0
1 (U U1 U 6 U 2 U 7 U 3 U 8 U 4 ) 16 5
(V)
IP -U V G 2 G2 -I P 特性曲线
I P (10 - 8 A)
30 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
U G 2 (V)
用逐差法计算U0 求相对误差Er，U0理论值11.55V.
电压峰位
最高峰位号
1
2
3
4
5
6
对应的电 压/Vi
逐差法计算峰位间隔 V=[(V4-V1)+(V5-V2)+(V6-V3)]/(3*3) V=[(V3-V1)+(V4-V2)]/(2*2)
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U0 手 动 测 量 氩 原 子 的 IP-VG2 曲 线 ， 每 变 化
0.5V 测量一个点，选择 60-80 个数据作图，标
出峰值，利用逐差法计算出氩原子的第一激发
电位，和参考值比较。
五、实验数据处理
UG2 (v) IP/ (nA) 0 1.0 2.0 3.0 ……. …….
IP输出
快速/慢速
电 压 显 示 选 择
UF调节 UG1调节
UP调节 UG2调节
四、实验内容
注意：实验仪器需预热20-30分钟
VG2值为表头示数10
1、各电压值须按照给定值进行设置；
2、UG2设定终止值不要超过90V。
3、手动测试完毕后，尽快将UG2减为零。
P234实验内容和步骤2、3
测量氩原子的第一激发电位，通过曲线观
弗兰克-赫兹实验
Franck-Hertz experiment
大学物理与实验教育教学研究中心
概
述
弗兰克(James Franck)—赫兹(Gustav
Hertz)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Ar原子具有玻尔 (Bohr)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。
UFபைடு நூலகம்
UG1K
UG2K
UG2P
继续增大UG2，IP会再次出 现波峰、波谷，如图所示形 成规则起伏变化的Ip～UG2K 曲线。而相邻两次板流Ip下 降所对应的栅极电压之差， 就是氩原子的第一激发电位
UF
UG1K
UG2K
UG2P
U0
E=eU0
三、实验仪器
IP显示 IP放大选择 电压显示
UG2输出 电源开关 自动/手动
的能量是彼此分隔的．原子的能量不论通过什么方式发
生改变，只能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：
hv Em En
式中 h为普朗克常量．
一、实验目的
时为非弹性碰撞。
（3）G2-P区间电子受阻 若eUG2<E ，则电子带着 eUG2的能量进入G2-P区。随 着UG2的增加，板级电流IP增 加（如图中oa段）形成第一 个波峰。 若 eUG2=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UG2，电子能量被吸收 的概率逐渐增加，板极电流 逐渐下降(如图中ab段），形 成第一个波谷。
栅极-阴极电压VG1
VG2
减速电压VP
弗兰克-赫兹实验装置示意图
2.2、物理过程
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惰性气体Ar原子相碰撞。 设Ar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<E2－E1这份能量，则电子与Ar原子 只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。
当电子的能量eU≥ E2－E1时，电子与Ar原子就会 发生非弹性碰撞，Ar原子将从电子的能量中吸收相当 于E2－E1的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，
而多余的部分仍留给电子。
设使电子具有E2－E1能量所需加速电场的电位差为
U0，则
eU0 = E2－E1
式中：U0为Ar原子的第一激发电位，即本实验要测的
物理量。
E= E2－E1 称为临界能量
2.3、Ip-UG2K 曲 线
（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
UF
UG1K
UG2K
UG2P
电场获得能量，并不断与氩
原子碰撞。 当电子能量小于E= E2－E1 时为弹性碰撞； 当电子能量大于E= E2－E1