北京大学物理实验报告：弗兰克-赫兹实验(docx版)

弗兰克-赫兹实验【实验目的】(1) 了解弗兰克-赫兹实验用伏-安证明原子存在能级的原理和方法(2) 学习用伏-安法测量非线性器件(3) 学习微电流的测量【仪器用具】仪器名参数F-H-II 弗兰克赫兹实验仪∅F-H-II 弗兰克赫兹实验仪微电流放大器10−7档F-H-II 弗兰克赫兹实验仪电源组V F 0~5V2.5级V G1K 0~5V 2.5级V G2P 0~15V2.5级Victor VC9806+数字万用表200 mV档±(0.5%+4)【实验原理】(1)原子的受激辐射玻尔的氢原理理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态）。

这些定态的能量（称为能级）是不连续分布的，其中能级最低的状态称为基态。

原子在两个定态之间发生跃迁时，要吸收或发射一定的能量，该能量等于两个定态之间的能量差ΔE mn=E m−E n原子在能级之间的跃迁可以通过有一定能量的电子与原子碰撞交换能量来实现。

初速度为零的电子经过电势差U0加速获得能量eU0，当这些电子与稀薄气体（例如汞）发生碰撞，就会发生能量交换。

当电子能量满足eU0=ΔE mn便会使得原子从E n被激发到E m，电子能量被吸收。

(2)弗兰克-赫兹实验图 1 弗兰克-赫兹装置示意图图1是弗兰克-赫兹实验装置示意图。

图中左侧为弗兰克-赫兹管（F-H管），它是一种密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量较大的汞或惰性气体原子。

在这里灯丝用来对阴极K加热，使其发射热电子。

灯丝电压U F越高，阴极K发射的电子流也就越大。

第一栅极G1的主要作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。

第二栅极G2的作用是在G2和K之间形成对电子加速的静电场。

发射的电子穿过栅极G2达到极板P，形成板流I P。

板流I P的大小由微电流测试仪进行测量。

在板极P 和G2之间加有一反向电压，它对电子减速，使经过碰撞后动能非常低的电子折回。

由热阴极发射的电子初速度为零，受加速电场V G2K作用，V G2K较低时，电子能量小于原子的激发能，电子与汞原子只能发生弹性碰撞。

课程名称：大学物理实验（二）
实验名称：弗兰克-赫兹实验
图2.1 弗兰克-赫兹管原理图
设氩原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2
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则电子与氩原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。

子与氩原子就会发生非弹性碰撞，氩原子将从电子的能量中吸收相当于从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。

位差为U0则
eU0=E2−E1
图3.1弗兰克-赫兹仪实物图
对应的V G2是内部的锯齿电压，作用是急速电压自动变化。

对应于示波器观测模
I P(×10-8A)
U G2(×
图6.1 加速电压与电流的关系图
可以发现电流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，且两相邻谷点(或峰尖)即为氩原子的第一激发电位值。

同时，可以读出峰谷的横坐标值。

峰的横坐标值如下表：
表6.1 加速电压与电流的关系图的峰横坐标记录表
第二个峰X3第三个峰X5第四个峰X7第五个峰X9
2.90 4.08 5.25 6.46
表6.2 加速电压与电流的关系图的锋横坐标记录表
第二个谷X4第三个谷X6第四个谷X8第五个谷X10
3.52
4.66
5.84 7.04
算出氩原子的第一激发电位。

弗兰克赫兹实验实验报告一、数据处理1.汞管（1）实验数据如下：将数据作图如下：（2）根据实验数据，找到各个峰值对应的电压，并列表如下：由最小二乘法得到第一激发电位V，相关系数r=0.99978，由书上（7.13）式计算得到，故最终结果表示为V2.氩管（1）实验数据如下：（为了对进行控制，我调大了）将数据作图如下：(2) 根据实验数据，找到各个峰值对应的电压，并列表如下：由最小二乘法得到第一激发电位V，相关系数r=0.99964，由书上（7.13）式计算得到，故最终结果表示为V二、思考题利用汞管进行实验。

在第一部分中已列出了条件下的汞管的实验数据。

现将改变后的另两组实验数据列表如下，后两组数据只测了第5、第6两个峰。

（1）（2）将以上三种条件下的Hg管数据作图如下：当增大时，曲线高度下移，并且峰向右偏移。

原因分析：当增大时，电子需要更高的能量才能到达p极板，故此时能到达p极板的电子减少，则电路中电流减小，则曲线高度下移；曲线峰向右偏移的原因，我并不是十分清楚，我认为可能与电子的速率分布有关。

当加速电压刚达到第一激发电位时，只有一部分电子可以达到足以发生“非弹性碰撞”的速率，而另一部分电子速率还要更低一些，有的电子速率还不足以使其越过g2p的减速电场，加速电压继续增大时会将这部分电子继续加速使其可以达到p极板使电流增大，而达到足以发生“非弹性碰撞”的速率的电子也会增加，使电流减小，两种因素共同作用决定曲线的峰值。

当增大时，会使前一种作用的影响变得更大，而对后一种作用几乎没有影响，故峰会向右偏移。

三、分析与讨论1.各种曲线都具有周期性，而随着加速电压的增大，总的电流呈增大趋势，每个峰都比前一个峰更高，每个谷也比前一个更高。

呈现这种现象的原因：随着加速电压的增大，电子动能增加，能到达p极板的电子数增加，电流增大；当达到一定的动能时，电子会与管中气体发生“非弹性碰撞”，使其发生激发，则电子损失动能，不再能到达p极板，电流减小；这便是曲线呈周期性的原因。

一、实验目的1. 通过弗兰克-赫兹实验，了解并掌握原子能级的存在和量子化的概念。

2. 熟悉实验仪器和操作方法，提高实验技能。

3. 培养分析实验数据、处理实验结果的能力。

二、实验原理1. 原子能级与量子化根据量子理论，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。

2. 弗兰克-赫兹效应弗兰克-赫兹实验采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法，证实了原子能级的存在。

实验中，电子由阴极发出，经电压加速后趋向板极，途中与气体原子发生碰撞。

若电子能量足以克服减速电压，则能穿过栅极到达板极形成电流。

当电子与原子碰撞时，部分能量会传递给原子，使原子从基态跃迁到激发态或电离态。

实验结果表明，电子的能量与原子激发态之间的能量差是量子化的。

三、实验仪器与设备1. 弗兰克-赫兹实验仪2. 数字电压表3. 数字电流表4. 氩气瓶5. 阴极灯丝加热电源6. 磁铁四、实验步骤1. 连接实验仪器，调整实验装置。

2. 加热阴极灯丝，使电子发射。

3. 调节加速电压，使电子能量逐渐增加。

4. 观察并记录不同加速电压下的板极电流。

5. 分析实验数据，绘制电子能量与板极电流的关系曲线。

6. 根据实验数据，计算氩原子的第一激发能。

五、实验结果与分析1. 实验数据根据实验数据，绘制电子能量与板极电流的关系曲线，如图所示。

2. 结果分析从实验结果可以看出，当加速电压逐渐增加时，板极电流先增大后减小，形成一个峰值。

峰值对应的电压即为氩原子的第一激发电位。

实验结果与理论值基本相符，验证了原子能级的存在。

六、实验结论1. 通过弗兰克-赫兹实验，验证了原子能级的存在，加深了对量子化概念的认识。

2. 实验结果表明，氩原子的第一激发电位为16.5V，与理论值基本相符。

3. 实验过程中，注意了实验仪器的正确使用和实验数据的准确记录，提高了实验技能。

一、实验名称弗兰克-赫兹实验二、实验目的1. 通过实验测量氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。

2. 加深对量子化概念的理解。

3. 掌握电子与原子碰撞的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. 根据量子理论，原子只能处于一系列不连续的能量状态，即定态。

2. 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。

3. 电子在加速电压U的作用下获得能量，当其能量等于或大于第一激发态能量E1时，即可实现跃迁。

四、实验器材1. 弗兰克-赫兹实验仪2. 氩气瓶3. 数字电压表4. 数字电流表5. 计时器6. 连接线和导线五、实验步骤1. 检查实验仪器的完整性，确保实验仪正常工作。

2. 打开氩气瓶，调节气体压力至实验要求。

3. 调节加速电压和减速电压，使电子在电场中加速和减速。

4. 逐渐增加加速电压，观察输出电流的变化。

5. 记录输出电流与加速电压的关系曲线。

6. 根据曲线确定氩原子的第一激发电势。

六、实验数据与分析1. 记录实验过程中输出电流与加速电压的关系曲线。

2. 分析曲线，确定氩原子的第一激发电势。

3. 计算实验误差，分析误差来源。

七、实验结果1. 氩原子的第一激发电势为：XXX eV。

2. 实验误差为：XXX %。

八、实验讨论1. 分析实验结果与理论值的差异，探讨误差来源。

2. 讨论实验过程中可能出现的异常现象，分析原因。

3. 总结实验过程中学到的知识，对实验原理进行深入理解。

九、结论1. 通过实验测量，验证了原子能级的存在，加深了对量子化概念的理解。

2. 掌握了电子与原子碰撞的微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

十、参考文献1. 王家骐，张洪涛. 基础物理实验[M]. 北京：高等教育出版社，2010.2. 张志敏，刘志勇，陈国良. 基础物理实验教程[M]. 北京：科学出版社，2008.3. 弗兰克-赫兹实验原理及装置介绍[EB/OL]. /frank-hertz.html，2022-10-01.十一、附录1. 实验数据记录表2. 实验曲线图3. 误差分析报告（注：以上模板仅供参考，具体实验内容可根据实际情况进行调整。

弗兰克-赫兹实验报告12页一、实验简介弗兰克-赫兹实验是用于研究原子中的电子能级的实验，由德国物理学家弗兰克和赫兹于1914年首次进行。

该实验基于能量量子化的概念，对气体中电子的能级结构进行了实验研究。

实验中使用汞气作为气体样品，并观察了在逐渐递增的电压下电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射现象。

本实验在原子物理学以及量子力学发展历史上具有里程碑的意义。

二、实验原理1.能量量子化在原子中，电子所拥有的能量和它的运动状态是量子化的，因此它们只存在于特定的能量状态中。

这些能量状态被称为能级，其能量可以通过光子吸收和辐射来进行变化。

2.汞原子的能级汞原子是大型原子，其中包含80个电子，因此具有复杂的能级结构。

常见的汞原子能级包括原子的基态以及第一、第二、第三激发态等。

在本实验中，我们将重点关注第一激发态，其能量为4.9电子伏。

3.散射现象在电子经过汞原子时，它们将与原子中的电子进行散射，影响它们的移动方向和能量。

通过观察不同电压下电子在汞蒸汽中的散射情况，可以研究电子在汞原子中的散射过程以及不同能级的存在情况。

三、实验步骤1.设备调试首先对设备进行调试，检查电源、电压计、放大器等设备是否正常运行。

2.样品处理使用灯丝对汞样品进行加热，使其升华产生汞性气体。

3.电子管与样品接触将电子管的阳极与汞样品接触，使电子通过样品并进行散射。

4.电压递增逐渐递增电压，观察电子的能量变化以及电子在经过汞原子时的散射情况。

5.测量数据通过放大器和电压计来测量电压和电流等数据，记录不同电压下电流和电压之间的关系。

四、数据分析通过测量数据可以得到不同电压下汞蒸汽中散射电子的动能，进一步可以得知电子在不同能级中的能量情况。

例如，在电压为10伏的情况下，当电流增大时，证明散射电子的动能增加，这表明电子已经达到第一激发态能级。

当电压增加到50伏时，电流在急剧减小，这表明散射电子已经失去了能够到达下一个能级所需的能量。

从而可以推断出汞原子存在第一激发态能级。

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。

实验名称：弗兰克—赫兹实验 实验原理：用加速到一定能量的电子轰击原子使原子发生跃迁，跃迁的同时电子失去能量而减速，碰撞后电子的速率分布发生变化，测量到达的高速电子的数量，就可以知道有多少电子因为是原子跃迁而失去能量，间接测出了原子吸收的能量的大小，就反应出了跃迁所需的能量。

实验中原子密度较大，故只有第一激发电位发生的概率较大，其余的激发可以忽略，则电子能量每到达一次原子第一激发态吸收的能量大小E ∆，就会出现一次吸收峰，通过测量相邻吸收峰时的E ∆，也就是测量相邻吸收峰时的加速电压，就可以知道原子的第一激发态时吸收的能量大小。

实验用的装置如右图，通过灯丝加热K 使其发射电子，G 1控制通过G 1的电子数目，G 2加速电子，G 1、G 2空间较大，提供足够的碰撞概率，A 接收电子，AG 2加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。

用汞进行实验测得与右下图相似的曲线。

汞的第一激发电位为 4.9V,实验中电压每到 4.9V 的n 倍就多一次吸收，故出现一个吸收峰，实验内容：一、汞的F-H 实验 测汞的第一激发电位（测I P -V G2曲线，由曲线确定第一激发电位），测六到八个峰测量条曲线，V G2上升测一条，V G2下降测一条分别由峰间距求汞的第一激发电位。

二、氩的F-H 实验 示波器观察氩的I P -V G2曲线，手动测氩的I P -V G2曲线。

实验步骤：一、汞的F-H 实验1．先将温度调到设定值，打开温控开关加温指示灯on 亮（绿色），到设定温度off 指示灯亮（红色），红灯亮过一次即可开始实验。

2.了解接线，将V p ,V G1K ,V G1P ,V G2K ,调至最小，到设定温度时再打开两仪器电源，稳定5分钟，然后据炉上标签设定各电压值，用“手动”挡测曲线，电流过量程时更换电表量程。

3.先手动调节电压观察电流随电压的变化，选适当量程从某一电压起每隔0.5V记录一组I P -V G2数据，随V G2上升测一条至约六到八个峰，再随V G2下降记录数据。

弗兰克-赫兹实验【实验目的】(1)了解弗兰克-赫兹实验用伏-安特性曲线证明原子存在能级的原理和方法(2)学习用伏-安法测量非线性器件(3)学习微电流的测量【仪器用具】仪器名参数F-H-II 弗兰克赫兹实验仪∅F-H-II 弗兰克赫兹实验仪微电流放大器10−7档F-H-II 弗兰克赫兹实验仪电源组V F 0~5V2.5级V G1K 0~5V2.5级V G2P0~15V2.5级Victor VC9806+数字万用表200mV档±(0.5%+4)【实验原理】(1)原子的受激辐射玻尔的氢原理理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态）。

这些定态的能量（称为能级）是不连续分布的，其中能级最低的状态称为基态。

原子在两个定态之间发生跃迁时，要吸收或发射一定的能量，该能量等于两个定态之间的能量差ΔE mn=E m−E n原子在能级之间的跃迁可以通过有一定能量的电子与原子碰撞交换能量来实现。

初速度为零的电子经过电势差U0加速获得能量eU0，当这些电子与稀薄气体（例如汞）发生碰撞，就会发生能量交换。

当电子能量满足eU0=ΔE mn便会使得原子从E n被激发到E m，电子能量被吸收。

(2)弗兰克-赫兹实验图1弗兰克-赫兹装置示意图图1是弗兰克-赫兹实验装置示意图。

图中左侧为弗兰克-赫兹管（F-H管），它是一种密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量较大的汞或惰性气体原子。

在这里灯丝用来对阴极K加热，使其发射热电子。

灯丝电压U F越高，阴极K发射的电子流也就越大。

第一栅极G1的主要作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。

第二栅极G2的作用是在G2和K之间形成对电子加速的静电场。

发射的电子穿过栅极G2达到极板P，形成板流I P。

板流I P的大小由微电流测试仪进行测量。

在板极P 和G2之间加有一反向电压，它对电子减速，使经过碰撞后动能非常低的电子折回。

由热阴极发射的电子初速度为零，受加速电场V G2K作用，V G2K较低时，电子能量小于原子的激发能，电子与汞原子只能发生弹性碰撞。

一、实验名称：弗兰克-赫兹实验二、实验目的：(1) 用实验的方法测定汞或者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。

三、实验原理：根据波尔的原子模型理论， 原子中一定轨道上的电子具有一定的能量。

当原子吸收或者放出电 磁辐射时或者当原子与其他粒子发生碰撞时， 原子状态会发生改变。

改变过程中原子的能量变 化不是任意的，而是受到波尔理论的两个基本假设的制约，即定态假设和频率定则。

由波尔理论可知， 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 子赋予原子以临界能量，剩余能量仍由电子保留。

本仪器采用 1 只充氩气的四极管，其工作原理图如下：当灯丝(H)点燃后，阴极(K)被加热，阴极上的氧化层即有电子逾出(发射电子)，为消 除空间电荷对阴极散射电子的影响， 要在第一栅极 (G ) 、阴极之间加之一电压 U (一栅、 阴电压) 。

如果此时在第二栅极 (G 2 ) 、阴极间也加之一电压 U G2K (二栅、 阴电压)， 发射的电子在电场的作用下将被加速而取得越来越大的能量。

起始阶段，由于较低，电子的能量较小，即使在运动过程中与电子相碰撞(为弹性碰撞)只 有弱小的能量交换。

这样，穿过 2 栅的电子到达阳极(A) [也惯称板极]所形成的电流(I ) 板流(习惯叫法，即阳极电流)将随2 栅的电压 U 的增加而增大，当 U 达到氩原子的第 一激发电位(11.8V)时，电子在2 栅附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。

电子把 加速电场获得的全部能量传递给了氩原子， 使氩原子从基态激发到第一激发态， 而电子本身 由于把全部能量传递给了氩原子， 它即使穿过 2 栅极， 也不能克服反向拒斥电场而被折回 2 栅极。