弗兰克-赫兹实验
弗兰克—赫兹实验报告
弗兰克—赫兹实验一.实验目的1、了解弗兰克--赫兹试验的原理和方法；2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法；3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。
二．实验原理玻尔提出的原子理论指出：原子只能较长地停留在一些稳定的状态。
原子在这种状态时，不发射或吸收能量。
各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔得。
原子的能量不论通过什么方式改变，它只能从一个状态跃迁代另一个状态。
原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时，辐射的频率是一定的。
于是有如下关系：n E m E hv -=，式中，h 为普朗克常数。
为了使原子从低能级想高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与燕子相碰撞进行能量交换的办法来实现。
图1 弗兰克-赫兹管结构图夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K ，板极A ，G 1 、G 2分别为第一、第二栅极。
K-G 1-G 2加正向电压，为电子提供能量。
1G KU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e 2G AU ，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。
当电子的能量达到∆E ，则可能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. G 2-A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。
若电子进入此区间时的能量小于eU G2A 则不能达到板极。
由此可见，若eU G2K <∆E ，则电子带着e U G2K 的能量进入G 2-A 区域。
随着U G2K 的增加，电流I 增加（如图2中Oa 段）。
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克赫兹实验原理
弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年进
行的一系列实验，旨在研究气体中的原子能级和电子束的能量损失。
该实验通过在真空管中加入气体，并在管内施加电压，观察电子束在不同电压下的能量损失情况，从而揭示了原子的内部结构和量子力学理论的基本特征。
实验中，弗兰克-赫兹装置由真空管、热阴极、加速电极和收
集电极组成。
当施加一定的电压时，热阴极会发射出高速电子束，这些电子束被加速电极加速，并穿过气体分子，与气体分子发生碰撞。
碰撞过程中，电子束会损失能量，并且在经过一定距离后，电子束的能量足够小，无法再次与气体分子发生碰撞。
此时，收集电极上会出现一个电流峰值，用示波器可以观测到电流的变化。
通过实验，弗兰克和赫兹发现，在一定的电压下，电流会周期性地发生变化。
这是因为在气体分子中，原子的能级是离散的，当电子束的能量刚好等于某个原子的激发能级时，电子束与原子发生共振，从而能量发生最大损失，使得电流达到峰值。
随着电压的进一步增加，电子束的能量继续增加，可以与更多的原子发生共振，电流会再次出现峰值。
因此，实验结果证明了原子的能级是离散的，不连续的，符合量子力学理论的观点。
弗兰克-赫兹实验的结果对后来量子力学的发展起到了重要的
作用。
量子力学的提出对于解释和理解微观粒子的行为具有重要意义，并成为现代物理学的基石之一。
弗兰克—赫兹实验
弗兰克—赫兹实验弗兰克—赫兹实验信息安全07级姓名:马文博学号:PB07210411 实验名称：弗兰克—赫兹实验实验目的：利用电子碰撞原子的方法，观察并测量汞的激发电位和电离电位，从而证明原子能级的存在。
实验原理：1、电子与气态Hg 原子的碰撞为了实现原子从低能级到高能级的跃迁,可以使具有一定能量的电子和原子发生碰撞.这是最容易实现Franck-Hertz 实验的方法.若与之发生碰撞的电子是在电势V 的加速下,速度从零增加到v,则当电子的能量满足:221mveV E E E n m ==-=?时,电子将全部的能量交换给原子.由于两个能级之间的能量差是有确定的值,对应的电压就有确定的大小,当原子吸收电子的能量从基态跃迁到第一激发态时,相就的电压值称为原子的第一激发电位.实验中就是测量汞原子的第一电位差.2、Hg 原子能级下图是Hg 的谱图.其中61S 0（0ev ）为基态，63P 1（4.9ev ）为激发态，63P 0（4.7ev ）、63P 2（5.47ev ）为亚稳态.实验中用F-H管来测量汞原子的第一激发电位.原理图如下:F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射电子，G1控制通过G1的电子数目，G2加速电子，G1、G2空间较大，提供足够的碰撞概率，A 接收电子，AG2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。
实验曲线：4.碰撞过程及能量交换此过程在G1G2空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，使其不能到达A从而不能形成电流。
V GK2= 4.7V ，使原子激发到63P 0，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收。
V GK2= 4.9V ，使原子激发到63P 1，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达A ，形成第一个峰。
物理实验之弗兰克-赫兹实验
物理实验之弗兰克-赫兹实验弗兰克-赫兹实验是一项具有重要意义的物理实验，它为我们理解原子结构和电子能级的研究提供了重要的证据。
在这篇3000字的文章中，我将为你详细介绍弗兰克-赫兹实验的原理、过程和实验结果，希望能帮助你更好地理解这一实验。
弗兰克-赫兹实验于1914年由德国物理学家詹金斯·弗兰克和恩斯特·赫兹完成。
他们使用的实验装置主要包括一个玻璃管和一个甘汞蒸气灯。
在这个实验中，他们使用了高压电源将电流通过一个附带气体的玻璃管中，通过测量电流和电压的变化来观察气体原子中电子的行为。
实验的过程如下：首先，弗兰克-赫兹实验首先需要将气体灌入玻璃管中，并确保玻璃管处于真空状态。
然后，一个电压源与玻璃管相连接，通过调节电压源上的电压，使电流通过玻璃管中的气体。
这样，气体原子中的电子就会接收到能量，并跃迁到较高的能级。
当电子跃迁到较高的能级时，通过电流变化观察到的现象就是电压－电流图像中出现的突变。
这是因为跃迁能级需要一定的能量，只有当电压达到一定值时，电子才能够跃迁到更高的能级。
而当电压低于这个临界值时，电子无法跃迁，导致电流没有明显变化。
通过不断地改变电压值，并相应地测量电流的变化，我们可以得到一系列的跃迁能级。
这些跃迁能级的数值与原子的能级结构有关。
通过分析这些数据，我们可以了解到电子在原子中的排布情况以及原子的能级结构。
弗兰克-赫兹实验的实验结果为后来的量子力学理论的发展奠定了基石。
这个实验证实了电子只能在特定的能级之间跃迁，而不能在连续的能级之间跃迁。
这与经典物理学中电子在连续能级上运动的观点不同，它表明了原子的能级结构具有离散的性质。
这个观点后来成为了量子力学的基础。
通过弗兰克-赫兹实验，我们还可以了解到不同种类的气体可见的跃迁能级是不同的。
这为我们进一步研究气体的组成和性质提供了重要的线索。
实际上，弗兰克-赫兹实验的成功也鼓励了其他科学家进行类似的研究，从而推动了原子物理学的发展。
弗兰克赫兹实验报告结论
一、实验概述弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家W.弗兰克和G.赫兹于1914年进行的。
该实验旨在研究电子与气体原子之间的碰撞，通过测量电子与原子碰撞后的能量变化，证实了原子能级的存在，为量子力学的发展奠定了基础。
二、实验原理根据量子理论，原子只能处在一系列不连续的能量状态，称为定态。
相应的定态能量称为能级。
原子的能量要发生变化，必须在两个定态之间以跃迁的方式进行。
当基态原子与带一定能量的电子发生碰撞时，可以使原子从基态跃迁到高能态。
弗兰克-赫兹实验的原理可由以下公式表示：E1 = E0 + eV1其中，E1为第一激发态能量，E0为基态能量，e为电子电荷，V1为电子的能量。
三、实验方法1. 实验装置：实验采用了一个真空管，其中充满了低压气体（如氩气或汞气）。
管中设有阴极、栅极和阳极，通过调节电压使电子在电场作用下加速，并与气体原子发生碰撞。
2. 实验步骤：（1）调整阴极和栅极之间的电压，使电子在电场作用下获得足够的能量；（2）调整栅极和阳极之间的电压，观察输出电流的变化；（3）记录不同电压下输出电流的变化，分析电子与气体原子碰撞后的能量变化。
四、实验结果与分析1. 实验结果表明，当电子能量达到一定值时，输出电流出现明显的峰值。
这表明，电子与气体原子发生了有效的碰撞，使原子从基态跃迁到第一激发态。
2. 通过对实验数据的分析，我们可以得到氩原子和汞原子的第一激发电位。
实验结果显示，氩原子的第一激发电位约为4.9V，汞原子的第一激发电位约为13.6V。
3. 实验结果与波尔理论预测的能级结构相吻合，进一步证实了原子能级的存在。
五、结论1. 弗兰克-赫兹实验证实了原子能级的存在，为量子力学的发展奠定了基础。
2. 实验结果与波尔理论预测的能级结构相吻合，进一步证实了量子理论在原子物理领域的正确性。
3. 弗兰克-赫兹实验对于理解原子结构、电子与原子相互作用以及量子力学的发展具有重要的意义。
4. 该实验方法为后续的原子物理和量子力学实验提供了借鉴和参考。
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
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一、实验背景弗兰克-赫兹实验是由德国物理学家W.弗兰克和G.赫兹于1914年进行的，该实验旨在研究电子在电场作用下的运动规律，并证明原子能级的存在。
实验通过测量电子与原子碰撞时的能量交换，揭示了原子内部结构的量子化特性。
二、实验目的1. 测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在；2. 加深对量子化概念的认识；3. 学习电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。
三、实验原理1. 原子能级理论：根据玻尔理论，原子只能长时间地处于一些稳定的状态，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。
原子的能量只能从一个定态跃迁到另一个定态。
2. 电子与原子碰撞：当电子在电场作用下加速时，会获得动能。
当具有一定能量的电子与原子碰撞时，会发生能量交换。
若电子传递给原子的能量恰好等于原子从一个定态跃迁到另一个定态所需的能量，则原子会被激发。
3. 激发电势：原子从一个定态跃迁到另一个定态所需的能量称为激发电势。
在本实验中，测量氩原子的第一激发电势，即从基态跃迁到第一激发态所需的能量。
四、实验装置1. 夫兰克-赫兹管：由阴极、阳极、栅极和充有氩气的真空管组成。
阴极发射电子，阳极接收电子，栅极控制电子流。
2. 加速电压：通过调节加速电压，使电子在电场作用下获得不同动能。
3. 电流计：测量电子流过夫兰克-赫兹管时的电流。
4. 数据采集系统：用于记录电流与加速电压的关系。
五、实验步骤1. 将夫兰克-赫兹管接入实验电路，调整加速电压，使电子获得不同动能。
2. 测量电子流过夫兰克-赫兹管时的电流，记录数据。
3. 改变加速电压，重复步骤2，得到一系列电流与加速电压的关系曲线。
4. 分析数据，确定氩原子的第一激发电势。
六、实验结果与分析1. 实验结果显示，电流与加速电压的关系曲线呈阶梯状。
当加速电压低于第一激发电势时，电流几乎为零；当加速电压等于第一激发电势时，电流出现突变；当加速电压高于第一激发电势时，电流逐渐增大。
弗兰克赫兹实验
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)
原子内部能量量子化证据: (1) 原子光谱分立性 ; (2) 夫兰克-赫兹实验
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。
E2
h
h
hc
E1
hc 1.24 AKeV 2530 A E 4.9eV
E
实验＝2537A
实验与理论符合非常好
二. 较高激发电势的测定
1. 实验装置及实验原理
1920年, Franck改进实验装置
K G1
Hg
K
Hg
GA
V
0.5 V
A
G2 A
K：旁热式热阴极，均匀发 射电子，提高能量测量精度
一. 第一激发电势的测定
1.实验目的：验证原子能量的量子化。 2.实验原理（结合装置介绍）：
GA
Hg
K
K：热阴极，发射电子
KG区：电子加速，与Hg原 子碰撞
A
0.5 V
V
夫兰克-赫兹实验装置
GA区：电子减速，能量大 于0.5 eV的电子可克服反向 偏压，产生电流