夫兰克赫兹实验汇总

hv En Em
(h为普朗克常数)
本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现， 并满足能量选择定则：
eV En Em
(Ｖ为激发电位)
实验装置
氩管夫兰克—赫兹管
特点：采用充氩夫兰 克--赫兹管，比以前 使用充汞管方式有了 重大改进，去掉了较 为落后的灯管加热炉 装置，即便于操作， 又避免了由于温度控 制不精确而对实验造 成的误差、以及汞蒸 气对人体及环境的污 染。
1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当 年的诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。 夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要 手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传 统的经典实验。
(JAMES FRANCK)
(GUSTAV HERTZ)
理论基础
根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续 的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值 Ei(i=1,2,3‥)，这些能量值称为能级。最低能级所对 应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。 当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就 会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子 所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率选择定 则：
实验原理
V 灯丝
充氩夫兰克-赫兹管的 基本结构见右图。电子由 阴极K发出，阴极K和第一 电子 栅极G1之间的加速电压 VG1K及与第二栅极G2之间 氩原子 的加速电压VG2K使电子加 速。在板极A和第二栅极G2 之间可设置减速电压VG2A。
K
VG1K
VG2K
G1
G2
A μ A
VG2A
夫兰克—赫兹管结构图
夫兰克-赫兹实验
历史背景及意义 实验装置
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理论基础
实验原理
注意事项
实验内容及操作步骤 数据处理
思考与讨论
历史背景及意义
1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核 模型。1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模 型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态 能级和能级跃迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波 的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态 能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。随着英国物理 学家埃万斯（E.J.Evans）对光谱的研究，玻尔理论被确 立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的 实验方法的验证。随后，在1914年，德国科学家夫兰克和 他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法 (与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了原子能级 的存在，并且实现了对原子的可控激发，从而为玻尔原子 理论提供了有力的证据。
E
VC VC 0 VC 0
100
100
IA
0
V1
V2-V1
V2 V3-V1 V4-V1
V3
V4
V5
UGK
V5-V1
数据处理示意图
思考与讨论
1、能否用氢气代替氩气？为什么? 2、为什么I-U曲线不是从原点开始? 3、为什么 I不会降到零? 4、为什么I的下降不是陡然的?
5、在F-H实验中，得到的I-U曲线为什么呈周期性变化？ 6、在F-H管内为什么要在板极和栅极之间加反向拒斥 电压？
操作步骤
正确认识电路连接及原理； 启动预热；（注：预热开始，就必须设定好以下几
个值：V灯、VG1K、VG2A，根据仪器给定参数设定， VG2K=30v）
正式测量；手动测试；联机测试。
注意事项
不许拔下仪器前面板上的导线，进行违规连 接，以免发生短路，损坏仪器。
在设定各电压值时，必须在给定的量程或范 围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏 仪器或不能准确显示。
IA
(nA)
e c a b o o V1 d V2 V3
V4
V5
V6
VG2K
图2-2-4 夫兰克—赫兹管的IA～VG2K曲线
实验内容及操作步骤
实验内容
用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一 激发电位，并做比较。 分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F—H实验曲线的影 响。 了解计算机数据采集、数据处理的方法。
数据处理
根据手调“栅压调节”做出的IA-----VG2K曲线和计 算机显示所显示的曲线，求出各峰所对应的电压值，用 逐差法求出氩原子第一激发电位，并与公认值VC0=11.5V 伏比较，求出测量误差。
Vn 1 V1 Vc [(V2 V1 ) (V3 V1 ) / 2 ]/ n n
7、在F-H管的I-U曲线上第一个峰的位置，是否对应于 氩原子的第一激发电位？
注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏的电 压，用于消除阴极电子散射的影响。
设氩原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零 的电子在电位差为V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种 能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eV<E1-E0时，电子与氩 原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氩原子质量小得多，电子 能量损失很少。如果eV≥E1-E0=ΔE，则电子与氩原子会产生非弹性 碰撞，氩原子从电子中取得能量ΔE，而由基态跃迁到第一激发态， ΔE=eVC。相应的电位差VC即为氖原子的第一激发电位。 在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下 图所示的变化曲线.