弗兰克赫兹实验理论概述
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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。
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。
•
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。
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）；
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
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。
设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态量。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。
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。
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。 • 用实验的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示波器
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。 U 第一栅极G1与阴极K之间的电位差由 G 电子 电源UG1 提供。 电源Uf加热灯丝，使旁热式阴极K被加热， U 氩 原 从而产生慢电子。 子 扫描电源加在栅极G2和阴极K间，建立 G U 一个加速场，使得从阴极发出的电子被 加速，穿过管内氩蒸气朝栅极G2运动。
作用实验室ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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。
•
由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认 为原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各 状态对应能量也是不连续的。这些能量值就是能 级。
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 = 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。
丹麦物理学家尼· 玻尔于1913年提出了 自己的原子结构假说，认为围绕原子核运动 的电子轨道半径只能取某些分立的数值，这 种现象叫轨道的量子化.
不同的轨道对应着不同的状态，在这些 状态中，尽管电子在做高速运动，但不向外 辐射能量，因而这些状态是稳定的。
原子在不同的状态下有着不同的能量， 所以原子的能量也是量子化的。
三、实验原理
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：
hv En Em
其中h = 6.63×10ˉ³ 4J· s， 称为普朗克常数。 ν为频率，En、Em为两个 不同定态的能量
电 离
∞ En hv=En-Em
Em
E1第一激发态
E0基态
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 的电子与氩原子相碰撞而发生能量交换来 实现氩原子状态的改变。
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。
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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。
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）；
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
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。
设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态量。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。
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。
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。 • 用实验的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示波器
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。 U 第一栅极G1与阴极K之间的电位差由 G 电子 电源UG1 提供。 电源Uf加热灯丝，使旁热式阴极K被加热， U 氩 原 从而产生慢电子。 子 扫描电源加在栅极G2和阴极K间，建立 G U 一个加速场，使得从阴极发出的电子被 加速，穿过管内氩蒸气朝栅极G2运动。
作用实验室ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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。
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由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认 为原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各 状态对应能量也是不连续的。这些能量值就是能 级。
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 = 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。
丹麦物理学家尼· 玻尔于1913年提出了 自己的原子结构假说，认为围绕原子核运动 的电子轨道半径只能取某些分立的数值，这 种现象叫轨道的量子化.
不同的轨道对应着不同的状态，在这些 状态中，尽管电子在做高速运动，但不向外 辐射能量，因而这些状态是稳定的。
原子在不同的状态下有着不同的能量， 所以原子的能量也是量子化的。
三、实验原理
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：
hv En Em
其中h = 6.63×10ˉ³ 4J· s， 称为普朗克常数。 ν为频率，En、Em为两个 不同定态的能量
电 离
∞ En hv=En-Em
Em
E1第一激发态
E0基态
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 的电子与氩原子相碰撞而发生能量交换来 实现氩原子状态的改变。