实验七 光电效应和夫兰克赫兹实验
（Ⅰ）光电效应
一、预习提要
1．什么是光电效应?它具有什么实验规律?光电效应的伏安特性含义是什么? 2．什么是截止电压?如何用实验来测定? 3．什么是截止频率?如何用实验来测定? 4．本实验中如何测定普朗克常量?
二、实验要求
1．学习测定普朗克常量的一种实验方法； 2．学习用滤色片获得单色光的方法；
3．学习用实验研究验证理论的方法，加深光电效应对光量子理论的理解。
三、实验目的
1．通过测试光电效应基本特性曲线，使学生进一步认识理解光的量子性。 2．通过对五种不同频率的反向截止电压的测定，由 ν-S U 直线图形，求出“红限”频率。
3．验证爱因斯坦光电方程，求普朗克常数。
图 1 原理实验图
图 2 光电管的起始 I －V 特性
四、实验原理 五、仪器及仪器简介
（1）GDH －1 型光电管：阳极为镍圈，阴极为银一氧一钾（K O Ag --），光谱响应范围 340.0～700.0 纳米，光窗为无铅多硼硅玻璃，最高灵敏波长是（4.1±0.1）×
102 纳米，阴极光灵敏度约 1μA /Lm ，暗电流约A 1210-。
为了避免杂散光和外界电磁场对微弱电流的干扰，光电管安装铝质暗盒中，暗盒窗口可以安放Φ5mm 的光阑孔和Φ36mm 的各种带通滤色片。
（2）光源采用NJ －50WHg 仪器用高压汞灯。在303.2～872.0纳米的谱线范围内有365.0、404.7、435.8、491.6、546.1、577.0 纳米等谱线可供实验使用。
（3）NG 型滤色片：是一组外径为Φ36mm 的宽带通型有色玻璃组合滤色片。它具有滤选365.0、404.7、546.1、577.0 纳米等谱线的能力。
（4）GT －IIIA 型微电流测量放大器：电流测量范围在107-～1013-A ，分七档十进制 变换，机内设有稳定度﹤1.0％，精密连续可调的光电管工作电源，电压量程分 －2～0V 、0～＋20V 两档，读数精度为 0.001V ，测量放大器可以连续工作 8 小时以上。
六、实验内容
1．测试前准备
（1）首先了解 GY －ⅢA 型光电效应测试仪中的使用方法和注意事项。
（2）放置好仪器，用光窗盖分别盖住光电暗盒的光窗口和光源光窗口。接通光源的电源开关，并预热 20—30 分钟。
（3）将微电流测试仪与光电管暗盒之间的导线连接好，调节光源光窗口与光电管暗盒光窗口等高，间距为 30cm 为宜。
2．测试
（1）旋转滤色片转盘，选择透射波长为 365 的滤色片。用“电压调节”旋钮将电压为－2V 缓慢升高到＋20V ，记录相应的电流值。测量点至少应该有 20 个，尤其在－2V 至 0V 间电流开始变化区间细测一下，多记几个点，并仔细找到电流为 0 时所对应的电压值，将记录数据记入表二。
（2）依次选择 405、436、546 和 577 型滤色片，重复步骤（1），测出其伏安特性。
（3）改变光阑，重复上述步骤。
七、数据处理
1．在坐标纸上绘制不同频率入射光照射下光电管的伏安特性曲线，准确找出不同频率对应的截止电压；
2．作出不同频率下截止电压 S U 和频率v 的关系曲线，求出普朗克常量h ，截止频率0ν和逸出电势 ?U 。
3．作出不同光强下的I－V 特性曲线。
八、注意事项
1．由于暗电流等的存在截止电压不在光电流I＝0 处而较难准确确定，故在电流开始变化的“始头点”附近细心地多测几个点以保证较准确地确定截止电压。
2．保护滤色片。更换滤色片时注意避免污染，不能用手触摸，如发现灰尘等可用镜头纸擦净，保证良好透光。
3．保护光电管。实验前或实验完毕后用遮光罩盖住光电管暗盒进光窗，避免强光直接照射阴极缩短光电管寿命。
4．保护光源。高压汞灯的功率较大，温度很高，实验完毕应及时关闭电源，以免影响使用寿命。
5．光源与光电管暗盒之间相距宜取 30～50cm，从光源出光孔射出的光必须直照光电管阴极面，暗盒可作左右及高低调节。为避免光线直射阳极带来反向光电流增大，测试时光窗口宜加Φ5mm～Φ8mm 的光阑。
6．光电管入射窗口不要面对其它强光源（如窗户等）以减少杂散光于扰。
7．仪器不宜在强磁场、强电场、高湿度及温度变化率大的场合下工作。
九、思考题
1．测量到的光电流是否完全是光电效应概念中的光电流?它还受到哪些因素的影响?
2．你是如何减小截止电压的测量误差的?
3．光电效应是如何验证光量子理论的?
表一
表二
（Ⅱ）夫兰克——赫兹实验
一、实验内容：
测量充氩夫兰克—赫兹管的GK A V I 曲线。
二、实验仪器
CAT －9000 型程控夫兰克——赫兹实验仪多媒体计算机。
三、仪器特点
CAT －9000 型程控夫兰克——赫兹实验仪用于测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。该仪器采用模块化结构，数字面板显示，轻触按键操作，外形美观实用，性能稳定可靠。
CAT －9000 型程控夫兰克——赫兹实验仪采用当今国际最新单片微机进行设计，高度 智能化。该系列仪表的测量模块采用模数混合结构，提高了测量的线性度、精度和稳定性。 该系列仪表除进行常规的可靠性设计外，还对仪器和电路的结构作了重点研究，尽量避免 使用故障率较高的元器件，从而降低了整机故障率，提高于产品可靠性。
实验测量过程可以手工完成，也可由多媒体计算机辅助实验系统软件 MCAEV1.1 进行监控。MCAE 工作于32位Windows 操作环境，采用消息响应机制，具有多媒体实验资料查 阅、实验装置自动控制、实验过程适时监控、实验数据自动采集、实验数据处理及检验、 实验数据打印及存档等功能，此外 MCAE 还具有实验数据异常报警功能，当实验数据出现 异常时，MCAE 会自动关闭栅极电压，并显示警告信息，提醒实验人员检查实验装置和实 验参数是否恰当，以免损坏仪器。
图一：CAT 一 9000 型程控夫兰克——赫兹实验仪结构示意图
四、操作方法
1．程控直流稳压电源 V1，V2，V3，V4；
V1 输出电压范围 0—5V，限流 500mA。
V2 输出电压范围 0—12V，限流 100mA。
V3 输出电压范围 0—12V，限流 100mA。
V4 输出电压范围 0—100V，限流 50mA。
程控直流稳压电源，具有过流保护、过热保护、短路保护功能，输出电压可以切换显示。按“V1”、“V2”、“V3”、“V4”键可以切换显示和输入对象，按“←”、“→”可以改变输入位，按“↑”键或“↓”键可调节电压。
CAT9000采用动态设置法，接受输入时，相应的输入位闪烁，按“↑”键和“↓”键则相应的输入位加一或减一，若发生进位或错位，则向高一位累进。按相应的功能键则可改变当前输入位。
2．程控直流微电流表a I：
程控直流微电流表a I测量范围1nA-10mA，分四档量程。具有过载保护功能。量程可通过仪表面板键盘设定，也可由计算机或其它智能设备控制。
3．串行通讯：
CAT9000 通过串口与计算机连接，九芯串口延长线应插入计算机 COM1 或 COM2。
4．多媒体计算机辅助实验系统实验 MCAE
多媒体计算机辅助实验系统软件 MCAE V1.1 用于监控实验测量过程。MCAE工作于32位Windows 操作环境，采用消息响应机制，具有多媒体实验资料查阅、实验装置自动
控制、实验过程适时监控、实验数据自动采集、实验数据处理及检验、实验数据打印及存档等功能，此外 MCAE还具有实验数据异常报警功能，当实验数据出现异常时，MCAE 会自动关闭栅极电压，并显示警告信息，提醒实验人员检查实验装置和实验装置是否恰当，以免损坏仪器。
五、仪器结构：
图二为夫兰克——赫兹实验原理图，一般的夫兰克一赫兹管是在圆柱状玻璃管壳中沿径向轴向依次安装加热灯丝、阴极 K、网状栅极 G及板极 A，在阴极 K 和栅极 G 之间还安装有第一阳极 G1。将管内抽至高真空后，充入高纯氩气或其他元素气体。
夫兰克——赫兹管的灯丝电压、第一阳极电压、拒斥电压由 V1，V2，V3 提供。栅极
电压由 V4 提供，既可手动设定，也可由计算机控制，程控直流微电流表 I a 测量板极电流，测量范围为 1nA-10mA，共有四档，测量数据可从面板读出，同时可以自动传送给计算机。
测量过程由多媒体计算机辅助实验系统软件 MCAE V1.1 进行监控。
1．测量前先熟悉实验装置结构及使用方法。按照实验要求设计并连接实验线路，检查无误后开机，开机前检查调节电位器是否置零。
2．先将系统各参数调至适当的值（由实验室提供）。
图二：夫兰克——赫兹实验原理图
3．运行测控软件 MCAE V1.L，进行实验装置联机测试。
4．输入实验参数，自动采集实验数据，测量氩原子的第一激发电位。注意栅极电压不能大于80伏，以免损坏夫兰克一赫兹管。改变灯丝电压、第一阳极电压以及拒斥电
压，重 复进行实验测量，观察实验曲线各有什么变化，分析原因。
5．保持实验参数不变，人工采集实验数据，每伏一个点，栅压从0到60伏。
六、数据处理
将人工测量的数据在坐标线上画出GK A V I 曲线，在图中算出氩原子的第一激发电位。
夫兰克-赫兹实验 20世纪初，在原子光谱的研究中确定了原子能级的存在。原子光谱中的每根谱线就是原子从某个较高能级向较低能级跃迁时的辐射形成的。原子能极的存在，除了可由光谱研究证实外，还可利用慢电子轰击稀薄气体原子的方法来证明。1914年夫兰克-赫兹采用这种方法研究了电子与原子碰撞前后电子能量改变的情况，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立态的存在。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假设中的频率定则。夫兰克-赫兹实验的结果为玻尔的原子模型理论提供了直接证据，他们获得了1925年度的诺贝尔物理奖。 ［实验目的］ (1)用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在； (2)练习使用微机控制的实验数据采集系统。 ［实验原理］ 根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的(图 1)。对于不同的原子，这些轨道上的电子数分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的能量。当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时(如图1中从Ⅰ到Ⅱ)，原子就处于受激状态。若轨道Ⅰ为正常状态，则较高能量的Ⅱ和Ⅲ依次称为第一受激态和第二受激态，等等。但是原子所处的能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个基本假设 的制约： (1)定态假设。原子只能处在稳定状态中，其 中每一状态相应于一定的能量值i E (i =1,2,3…)，这些能量 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渡到 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： m n E E hv -= (1) 其中346.6310h J s -=??，称作普朗克常数。 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，二是当原子与其他图1 原子结构示意图（玻尔模型）
夫兰克－赫兹实验 1913年，丹麦物理学家玻尔（N．Bohr）提出了一个氢原子模型，并指出原子存在能级。根据玻尔的原子理论，原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。 1914年，德国物理学家夫兰克（J．Franck）和赫兹（G. Hertz）通过实验的测量，发现电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级。直接证明了原子发生跃变时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证明了原子能级的存在，从而证明了玻尔理论的正确。由而获得了1925年诺贝尔物理学奖金。 【实验目的】 夫兰克一赫兹实验通过测定氩原子等元素的第一激发电位（即中肯电位），证明原子能级的存在。 【实验原理】 1．关于激发电位： 玻尔提出的原子理论指出： （1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态）。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。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能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时，辐射频率是一定的。如果用E m和E n分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率ν决定于如下关系： hν＝E m－E n（1-2-1）式中，普朗克常数 h= 6.63 ×10-34J·s 为了使原子从低能级向高能级跃迁，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的办法来实现。 设初速度为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量eU0。当具有这种能量的电子与稀薄气体的原子（比如十几个乇的氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。如以E1代表氩原子的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原子吸收从电子
弗兰克赫兹实验报告-有数据
弗兰克赫兹实验 作者 luckydog8686 实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。 一、实验目的 1.通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。 2.学习测量微电流的方法。 二、实验原理 （一）原子能级 根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频 率的光子。然而，原子若与具有一定 能量的电子发生碰撞，也可使原子从 低能级跃迁到高能级。夫兰克－赫兹 实验正是利用电子与原子的碰撞实现
这种跃迁的。电子在加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能2 /2mv ，当2 /2n m eU mv E E ==-时，即可实现跃迁。若原子吸收能量0eU 。从基态跃迁到第一激发态，则称0 U 为第一激发电位或中肯电位。 汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个6s 电子组成的1 S ，较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构成的11P 单能级和32P ， 3 1 P 和30P 组成的三能级。只有31P 为允许自发跃迁态：31 10 P S →,发出波长为253.7nm 的紫外光，对应能量为0 4.9U eV =。32P 和3 P 为亚稳态，因3110P S →的跃迁属于禁戒跃迁，所以通常把3 1 P 态称为汞的第一激发态。 （二）原理说明 实验原理图如图2和图3所示，充汞的夫兰克 -赫兹管，其阴极K 被灯丝H 加热，发射电子。电子在K 和栅极G 之间被加速电压KG U 加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极A 之间加反向拒斥电压GA U ，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流A I 。 图3
弗兰克赫兹实验报告记录有数据
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图1 弗兰克赫兹实验 作者 luckydog8686 实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采 取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。 一、实验目的 1. 通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。 2. 学习测量微电流的方法。 二、实验原理 （一）原子能级 根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。然而，原子若与具有一定能量的电子发生碰撞，也可使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞实现这种跃迁的。电子在 加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能2 /2mv ，当2/2n m eU mv E E ==-时，即可实现跃迁。 若原子吸收能量0eU 。从基态跃迁到第一激发态，则称0U 为第一激发电位或中肯电位。 汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个 6s 电子组成的1 0S ，较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构成的11P 单能级和32P ， 31P 和30P 组成的三能级。只有31P 为允许自发跃迁态：3110P S →,发出波长为253.7nm 的紫外光，对应能量为 0 4.9U eV =。32P 和30P 为亚稳态，因3110P S →的跃迁属于禁戒跃迁， 所以通常把3 1P 态称为汞的第一激发态。
弗兰克－赫兹实验 1．实验目的 （1）用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在； （2）练习使用微机控制的实验数据采集系统。 2．实验原理 根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的。对于不同的原子，这些轨道上的电子束分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的能量。当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，原子就处于受激状态。若轨道1为正常态，则较高能量的2和3依次称为第一受激态和第二受激态，等等。但是原子所处能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个基本假设的制约： （1）定态假设。原子只能处在稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值Ei （i ＝1，2，3，…），这些能量值是彼此分立的，不连续的。 （2）频率定则。当原子从一个稳定状态过渡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： n m h E E ν=- 其中34 6.6310 h J s -=??称作普朗克常数。 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汞原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。 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，这个能量称作临界能量。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；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。这时，电子给予原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其余能量仍由电子保留。 一般情况下，原子在受激态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形式释放出所获得的能量。其频率υ满足下式 g h eU ν= 式中g U 为汞原子的第一激发电位。所以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－赫兹实验的原理可用图 来说明。其中弗兰克－赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充汞四极管。第一栅极1G 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。第一栅极1G 与阴极K 之间的电位差由电源G U 提供。电源f U 加热灯丝FF ，使旁热式阴极K 被加热，从而产生慢电子。扫描电源a U 加在栅极2G 和阴极K 之间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸汽朝栅极2G 运动。由于阴极到栅极2G 之间的距离比较大，在适当的汞蒸气压下，这些电子与汞原子可以发生多次碰撞。电源R U 在栅极2G 和极板P 之间建立一拒斥场，到达2G 附近而能量小于R eU 的电子不能到达极板。极板电路中的电流强度P I 用微电流放大器A 来测量，其值大小反映了从阴极到达极板的电子数。实验中保持R U 和G U 不变，直接测量极板电流P I 随加速电压a U 变化的关系。 加速电压a U 刚开始升高时，板极电流也随之升高，直到加速电压a U 等于或稍大于汞原子的第一激发电位，这时在栅极2G 附近电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量交给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能越过R U 产生的拒斥场，到达板极的电子数减少，所以电流开始下降，继续增加a U ，电子在与汞原子碰撞后还能在到达2G 前被加
弗兰克赫兹实验报告内容 弗兰克-赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持，那么，下面是给大家整理收集的弗兰克赫兹实验报告内容，供大家阅读参考。 弗兰克赫兹实验报告内容1 仪器 弗兰克-赫兹管(简称F-H管)、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、微机X-Y记录仪。 F-H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。为了使F-H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F-H管置于控温加热炉内。加热炉的温度由控温装置设定和控制。炉温高时，F-H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。 F-H管电源组用来提供F-H管各极所需的工作电压。其中包括灯丝电压UF，直流1V~5V连续可调;第一栅极电压UG1，直流0~5V连续可调;第二栅极电压UG2，直流0~15V连续可调。 扫描电源和微电流放大器，提供0~90V的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为F-H管的加速电压，供手动测量或函
数记录仪测量。微电流放大器用来检测F-H管的板流，其测量范围为10^-8A、10^-7A、10^-6A三挡。 微机X-Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。 原理 玻尔的原子理论指出:①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……，处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是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时，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定: hv=|Em-En|(1) 式中:h为普朗克常量。 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汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为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小于E2-E1这份能量，则电子与汞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，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞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
数据处理 （1） 计算第一激发电势和相对误差 IA--UG2K 曲线数据 2.8V 2.6V 3.0V 电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 峰1 32.6 124.9 32.6 35.7 33.0 251.4 谷1 36.9 71.4 37.1 19.6 36.9 151.5 峰2 43.0 308.7 43.2 91.0 43.4 657.7 谷2 48.1 103.5 48.3 26.8 48.0 220.5 峰3 54.6 560.3 54.6 169.5 54.7 1258.4 谷3 59.5 157.0 59.7 42.8 59.4 369.4 峰4 66.4 851.2 66.2 258.7 66.5 2004.2 谷4 71.5 289.1 71.5 80.3 71.1 742.7 0.0500.0 1000.0 1500.0 2000.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 2.8V 2.6V 3.0V I A ~ U G2K 曲线 I A /μA U G2K /V
用逐差法求氩原子第一激发电势U=（66.4+54.6-43-32.6）/4=11.35V 相对误差E R=（11.35-11.5）/11.5*100%=1.30% 误差在允许范围内 通过比较有： ①灯丝电压的变化对极板电流有比较大的影响； ②在其他因素相同的情况下，灯丝电压越大，极板电流越大。 分析：灯丝电压变大导致灯丝的实际功率变大，灯丝的温度升高，在其他的因素相同的情况下，单位时间到达极板的电子数增加，从而极板电流增大。（2）改变灯丝电压，研究其对实验的影响。 反向拒斥电压U G2A =8.5 V,，分别测量拒斥电压U=10.5 V.，U=6.5 V，情况下的实验数据。 IA--UG2K曲线数据 8.5V 10.5V 6.5V 电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 电流/uA 电压/V 峰1 32.6 124.9 33.5 61.5 32.2 141.8 谷1 36.9 71.4 38.3 25.8 36.0 98.9 峰2 43.0 308.7 44.1 189.9 42.8 338.0 谷2 48.1 103.5 49.2 29.3 47.0 163.2 峰3 54.6 560.3 55.5 388.0 53.8 607.5 谷3 59.5 157.0 60.9 43.6 58.6 263.1 峰4 66.4 851.2 67.1 625.3 65.6 914.4 谷4 71.5 289.1 72.5 113.2 70.4 448.7
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 K U 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 A U ，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 2E 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eUG2K< E ，则电子带着 eUG2K 的能量进入G2-A 区域。随着UG2K 的增加，电流I 增加（如图2中Oa 段）。 若eUG2K ＝ 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 UG2K ，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）。 继续增大UG2K ，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）。 若eUG2K>n E 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I 随加速电压 2G K U 变化曲线就形成n 个峰值，如图2所示。 图2弗兰克-赫兹实验2 G K U ～I 曲线 a b c I (nA) 2G K (V) U O U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 7
Franck-Hertz 实验 根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型指出原子的核外电子只能量子化的长存于各稳定能态E n (n ＝1，2，…，)，它只能选择性地吸收外界给予的量子化的能量差值(E n - E k )，从而处于被激发的状态；或电子从激发态选择性地释放量子化的能量E n -E k =h γnk ，回到能量 较低的状态，同时放出频率为h γ nk 的光子。其中h 为普朗克常数。 夫兰克——赫兹实验仪重复了上述电子轰击原子的实验，通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换，使原子从低能级跃迁到高能级，直接观测到原子内部能量发生跃变 时，吸收或发射的能量为某一定值，从而证明了原子能级的存在及波尔理论的正确性。 一、实验要求 1．通过测氩原子第一激发电位，了解Franck 和Hertz 在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。 2．了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。 二、实验仪器 FH —1A Franck-Hertz 实验仪。 三、工作原理 充氩四极Franck-Hertz 实验原理图如图2.1所示 图2.1 Franck-Hertz 实验原理图 电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述： E V M v m MV v m e e ?+'+'=+22222/12/12/12/1 （2.1）
式中： m e ——原子质量； M ——电子质量； v ——电子碰撞前的速度； v’——电子碰撞后的速度； V ——原子碰撞前的速度； V’——原子碰撞后的速度； ΔE ——原子碰撞后内能的变化量。 按照波尔原子能级理论， ΔE=0 弹性碰撞； (2.2) ΔE=E 1-E 0 非弹性碰撞； 式中： E 0 ——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。 电子碰撞前的动能2 2/1v m e < E 1-E 0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE=0 ，原子仍然停留在基态。电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能2 2/1v m e ≥ E 1-E 0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值（E 1-E 0）的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。 Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的。 在充入氩气的F-H 管中（如图2.1所示），阴极K 被灯丝加热发射电子，第一栅极（G1）与阴极K 之间的电压 V G1K 约为1.5V ，其作用是消除空间电荷对阴极K 的影响。当灯丝加热时，热阴极K 发射的电子在阴极K 与第二栅极（G2）之间正电压形成的加速电场作用下被加速而取得越来越大的动能，并与V G2K 空间分布的气体氩原子发生如 (2.1) 式所描述的碰撞而进行能量交换。第二栅极（G2）和A 极之间的电压称为拒斥电压，起作用是使能量损失较大的电子无法达到A 极。 阴极K 发射的电子经第一栅极（G1）选择后部分电子进入G1G2空间，这些电子在 加速下与氩原子发生碰撞。初始阶段, V G2K 较低，电子动能较小，在运动过程中与氩原子作弹性碰撞，不损失能量。碰撞后到达第二栅极（G2）的电子具有动能22/1v m e '，穿过G2后将受到V G2K 形成的减速电场的作用。只有动能 2 2/1v m e '大于eV G2A 的电子才能到达阳极A 形成阳极电流I A ，这样,I A 将随着V G2K 的增加而增大，如图 I A — V G2K 曲线Oa 段所示。 当V G2K 达到氩原子的第一激发电位13.1V 时，电子与氩原子在第二栅极附近产生非弹性碰撞，电子把从加速电场中获得的全部能量传给氩原子，使氩原子从较低能级的基态跃迁到较高能级的第一激发态。而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使他能穿过第二栅极
弗兰 克-赫兹实验 一实验目的 通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。 二实验原理 1激发电势 玻尔的原子能级理论 （1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。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。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。 （2）原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足 n m E E hv -=（1） 原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。 设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为eU ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E 1带表汞原子的基态能量，E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为 120E E eU -=（2） 时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。 夫兰克-核子实验原理如图1示。 在充汞的夫兰克赫兹管中， GK 供电子加速。在板极A 和栅极G 示。当电子通过KG 空间进入GA 空间时，如果有较大的能量（≥eU AG ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA 检测出。如果电子在KG 空间与汞原子碰
撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显着的减小。 实验时，观察电流计的电流随U GK 逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的I A -U GK 曲线。曲线反映了汞原子在KG 空间与电子进行能量交换的情况。当KG 空间电压逐渐增加时，电子在KG 空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞）。穿过栅极的电子形成的板流IA 将随栅极电压的增加而增大（图中OA 段）。当KG 间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA 将显着减小（图AB 段）。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A ，这时电流有开始上升（BC 段）。直到KG 间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时，电子在KG 空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降（CD 段），同理 0nU U GK =（n=1，2，3，……）（3） 凡符合（3）式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK 曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差m m U U -+1应该是汞原子的第一激发电势。 三实验仪器 FH-1A 夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。 四实验内容及步骤 1、正确连接线路，A 、G 、H 、K 连线一一对应，不可混接或短路。 2、将微电流放大器，工作选择置于DC ，工作状态置于R ，栅极电压调到最小，预热5分钟。 3、接通加热炉电源，温度升至180℃时调零（10-5档位）和满度（FULL ）。 4、缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA 的起伏变化，当μA 表满度时相应的改变倍率。
大连理工大学 大 学 物 理 实 验 报 告 院（系） 专业 班级 姓 名 学号 实验台号 实验时间 年 月 日，第 周，星期 第 节 实验名称 夫兰克-赫兹 实验 教师评语 实验目的与要求： 1、测量氩原子的第一激发电位； 2、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解； 3、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞几率。 主要仪器设备： DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪，BY4320G 示波器 实验原理和内容： 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 K U 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 A U ，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 图1弗兰克-赫兹实验原理图 灯丝电压
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 G 2 A 则不能达到板 极。 由此可见，若eU G 2K n ?E 则电子在进入G 2-A 区域之前可能n 次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流I 随加速电压2G K U 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?U 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差为?E= e ?U 。 步骤与操作方法： 1． 将面板上的四对插座 （灯丝电压，2G K U ：第二栅压，1G K U ：第一栅压，2G A U ：拒斥电压） 按 面板上的接线图与电子管测试架上的相应插座用专用连接线连好。微电流检测器已在内部连好。将仪器的“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。 3． “自动/手动”挡开机时位于“手动”位置，此时“手动 ”灯点亮。 4． 仪器上电流档共有10-9A 、10-８ A 、10-７ A 和10-６ A 。四档开机时位于“10-9A ”， 且之后实验中保 持档位不变。 5． 按电子管测试架铭牌上给出的灯丝电压值、第一栅压1 G K U 、拒斥电压2 G A U 、电流量程I 预置相应 值。更改电压时， 按下相应电压键，指示灯点亮，按下“∧”键或“∨”键，更改预置值，若按下“<” 键或“>” 键,可更改预置值的位数，向前或向后移动一位。 6． 同时按下“set ” 键和“>” 键，则灯丝电压，第一栅压，第二栅压和拒斥电压等四组电压按预置 图2弗兰克-赫兹实验2G K U ～I 曲线 a b c I (nA) 2G K (V) U O U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 7
大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验 实验题目：弗兰克赫兹实验 实验器材：F－H实验管、恒温加热电炉、F－H实验装置、示波器。 实验内容： 1．熟悉实验装置，掌握实验条件。 该实验装置由F－H管、恒温加热电炉及F－H实验装置构成，其装置结构如下图所示： F-V管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。一般温度在100 oC至250 oC。并且由于Hg对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太大。灯丝电压控制着阴极K发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个峰的位置，是一个关键的条件。 2．测量Hg的第一激发电位。 1）起动恒温控制器，加热地F-H管，使炉温稳定在157oC，并选择合适的灯丝电压，V G1K=2.5V，V G2p=1.5V，V f=1.3V。 2）改变V G2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.2V记录一个数据）。 图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。 3）作数据处理，作出对应的Ip-V G2k
3．测Ar原子的第一激发电位。 1）调节好相关的数据：V p=8.36V，V G1=1.62V，V G2k=0~100V，V f=2.64V； 图，是否符合实验要求（有2）将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的Ip-V G2k 六个以上的波峰）。再将相关档位调到手动档位。 3）手动改变V G2k的值，并记录下对应的Ip值上（每隔0.05V记录一个数据）。 4）作数据处理，作出对应的Ip-V 图，并求出Hg的第一激发电位（用逐差法）。 G2k 4．得出结论。 原始数据: 1. V f=1.3V V G1K= 2.5V V G2p=1.5V T=157oC 求汞原子的第一激发电位的数据表
弗兰克-赫兹实验 一 实验目的 通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。 二 实验原理 1 激发电势 玻尔的原子能级理论 （1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。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。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。 （2） 原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足 n m E E hv -= （1） 原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。 设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为eU ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E 1带表汞原子的基态能量，E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为 120E E eU -= （2） 时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。 夫兰克-核子实验原理如图1示。 在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出，阴极K 和栅极G 之间的加速电压U GK 供电子加速。在板极A 和栅极G 之间加有拒斥电压U AG 。管子空间电位分布如图2示。当电子通过KG 空间进入GA U GK /V I A /nA 图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的I A -U GK 曲线
空间时，如果有较大的能量（≥eU AG ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA 检测出。如果电子在KG 空间与汞原子碰撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显著的减小。 实验时，观察电流计的电流随U GK 逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的I A -U GK 曲线。曲线反映了汞原子在KG 空间与电子进行能量交换的情况。当KG 空间电压逐渐增加时，电子在KG 空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞）。穿过栅极的电子形成的板流IA 将随栅极电压的增加而增大（图中OA 段）。当KG 间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA 将显著减小（图AB 段）。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A ，这时电流有开始上升（BC 段）。直到KG 间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时，电子在KG 空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降（CD 段），同理 0nU U GK =（n=1，2，3，……） （3） 凡符合（3）式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK 曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差m m U U -+1应该是汞原子的第一激发电势。 三 实验仪器 FH-1A 夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。 四 实验内容及步骤 1、 正确连接线路，A 、G 、H 、K 连线一一对应，不可混接或短路。 2、 将微电流放大器，工作选择置于DC ，工作状态置于R ，栅极电压调到最小，预热5分钟。 3、 接通加热炉电源，温度升至180℃时调零（10-5 档位）和满度（FULL ）。 4、 缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA 的起伏变化，当μA 表满度时相应的改变倍率。
[实验原理] 根据玻尔理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中每一状态对应于一定的能量值，各定态的能量是分立的，原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差地能量。如果处于基态的原子要发生状态改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要地能量。夫兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态地跃迁。 电子与原子碰撞过程可以用以下方程表示： ； 其中是电子质量，是原子质量，是电子的碰撞前的速度，是原子的碰撞前的速度，是电子的碰撞后速度，是原子的碰撞后速度，为内能项。因为，所以电子的动能可以转变为原子的内能。因为原子的内能是不连续的，所以电子的动能小于原子的第一激发态电位时，原子与电子发生弹性碰撞；当电子的动能大于原子的第一激发态电位时，电子的动能转化为原子的内能， 为原子的第一激发电位。 夫兰克—赫兹实验原理如图1所示，充氩气的夫兰克—赫兹管中，电子由热阴极发出，阴极和栅极之间的加速电压使电子
加速，在板极和栅极之间有减速电压。当电子通过栅极进入空间时，如果能量大于，就能到达板极形成电流。电子在空间与氩原子发生了弹性碰撞，电子本身剩余的能量小于，则电子不能到达板极，板极电流将会随着栅极电压的增加而减少。实验时使逐渐增加，观察板极电流的变化将得到如图2所示的 曲线。 随着的增加，电子的能量增加，当电子与氩原子碰撞后仍留下足够的能量，可以克服空间的减速电场而到达板极时，板极电流又开始上升。如果电子在加速电场得到的能量等于时，电子在 空间会因二次非弹性碰撞而失去能量，结果板极电流第二次下降。
在加速电压较高的情况下，电子在运动过程中，将与氩原子发生多次非弹性碰撞，在关系曲线上就表现为多次下降。对氩来说，曲线上相邻两峰（或谷）之间的之差，即为氩原子的第一激发电位。这即证明了氩原子能量状态的不连续性。 [实验内容与步骤] 一、示波器演示 1、分别用线将主机正面板上“输出”和“输出”与示波器上的“”和“”相连，将电源线插在主机后面板的插孔内，打开电源开关； 2、把扫描开关调至“自动”档，扫描速度开关调至“快速”，把电流增益波段开关拨至“”； 3、打开示波器的电源开关，并分别将“”、“”电压调节旋钮调至“”和“”，“”工作方式开关按下，“”全部打到“”； 4、分别调节、、电压至主机上部厂商标定数值，将调节至最大，此时可以在示波器上观察到稳定的氩的曲线； 二、手动测量
弗兰克赫兹实验实验报告 Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2020.
弗兰克-赫兹实验 一实验目的 通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。 二实验原理 1激发电势 玻尔的原子能级理论 （1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。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。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。 （2）原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足 n m E E hv -=（1） 原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。 设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为eU ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E 1带表汞原子的基态能量，E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为 120E E eU -=（2） 时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。 夫兰克-核子实验原理如图1示。 U GK 供电子加速。在板极A 和栅极G 当电子通过KG 空间进入GA 空间时，如果有较大的能量（≥eU AG ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA 检测出。如果电子在KG 空间与汞原子碰
撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显着的减小。 实验时，观察电流计的电流随U GK 逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的I A -U GK 曲线。曲线反映了汞原子在KG 空间与电子进行能量交换的情况。当KG 空间电压逐渐增加时，电子在KG 空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞）。穿过栅极的电子形成的板流IA 将随栅极电压的增加而增大（图中OA 段）。当KG 间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA 将显着减小（图AB 段）。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A ，这时电流有开始上升（BC 段）。直到KG 间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时，电子在KG 空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降（CD 段），同理 0nU U GK =（n=1，2，3，……）（3） 凡符合（3）式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK 曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差m m U U -+1应该是汞原子的第一激发电势。 三实验仪器 FH-1A 夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。 四实验内容及步骤 1、正确连接线路，A 、G 、H 、K 连线一一对应，不可混接或短路。 2、将微电流放大器，工作选择置于DC ，工作状态置于R ，栅极电压调到最小，预热5分钟。 3、接通加热炉电源，温度升至180℃时调零（10-5档位）和满度（FULL ）。 4、缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA 的起伏变化，当μA 表满度时相应的改变倍率。
弗兰克-赫兹实验 1.实验目的 (1)用实验的方法测定汞或氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在; (2)练习使用微机控制的实验数据采集系统。 2.实验原理 根据玻尔的原子模型理论，原子是由原子核和以核为中心沿各种不同轨道运动的一些电子构成的。对于不同的原子，这些轨道上的电子束分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的 能量。当同一原子的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，原子就处于受激状态。 若轨道1为正常态，则较高能量的2和3依次称为第一受激态和第二受激态，等等。但是原 子所处能量状态并不是任意的，而是受到玻尔理论的两个基本假设的制约： (1)定态假设。原子只能处在稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值Ei (i = 1, 2, 3,…)，这些能量值是彼此分立的，不连续的。 (2 )频率定则。当原子从一个稳定状态过渡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： h 二E n - E m 其中h = 6.63 10‘4 J s称作普朗克常数。 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汞原子相碰撞 而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。 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，这个能量称作临界能量。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；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。这时，电子给予原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其余能量仍由电子保留。 一般情况下，原子在受激态所处的时间不会太长，短时间后会回到基态，并以电磁辐射的形 式释放出所获得的能量。其频率u满足下式 h - eU g 式中U g为汞原子的第一激发电位。所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开 始发光。 弗兰克一赫兹实验的原理可用图来说明。其中弗兰克一赫兹管是一个具有双栅极结构的柱 面型充汞四极管。第一栅极G1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。第一栅极G1与阴极K之间的电位差由电源U G提供。电源U f加热灯丝FF，使旁热式阴极K被加热，从而产生慢电子。扫描电源U a加在栅极G2和阴极K之间，建立一个加 速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸汽朝栅极G2运动。由于阴极到栅极G2 之间的距离比较大，在适当的汞蒸气压下，这些电子与汞原子可以发生多次碰撞。电源U R在 栅极G2和极板P之间建立一拒斥场，到达G2附近而能量小于eU R的电子不能到达极板。极板电路中的电流强度I P用微电流放大器A来测量，其值大小反映了从阴极到达极板的电子数。实验中保持U R 和U G不变，直接测量极板电流I P随加速电压U a变化的关系。 加速电压U a刚开始升高时，板极电流也随之升高，直到加速电压U a等于或稍大于汞原子的第一激发电位，这时在栅极G2附近电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量交给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能越过U R产生的拒斥场，到达板极的电