大学物理弗兰克赫兹实验报告

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。

弗兰克赫兹实验报告姓名： xxx 学号： xxxxxxxxxx 班级：本硕 xxx 班实验日期： xxx 年 10 月 13 日夫兰克-赫兹实验1、测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，从而加深对量子化概念的认识。

2、加深对热电子发射的理解，学习将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。

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有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。

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。

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。

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。

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。

( 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=E-E(1) 110E 为第一激发能量(第一激发态是距基态最近的一个能态)，E 为基态能量， ev 为该原子第一激发能。

式(1)中， 101 实验原理如图(1)所示：在充氩的夫兰克—赫兹管中，电子由阴极 K 发出，阴极 K 和第一栅极G1 之间的加速电压 VG1K 及与第二栅极 G2 之间的加速电压 VG2K 使电子加速。

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。

弗兰克赫兹实验报告(2)弗兰克赫兹实验报告弗兰克赫兹实验报告2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：C:Documents and SettingsAdministrator.EUPMS_1.000桌面3.jpgF-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157 ºC，并选择合适的灯丝电压，VG1K=2.5V，VG2p=1.5V，Vf=1.3V。

2)改变VG2k的值，并记录下对应的Ip值上(每隔0.2V记录一个数据)。

3)作数据处理，作出对应的Ip-VG2k图，并求出Hg的第一激发电位(用逐差法)。

3.测Ar原子的第一激发电位。

1)调节好相关的数据：Vp=8.36V，VG1=1.62V，VG2k=0~100V，Vf=2.64V;2)将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的Ip-VG2k图，是否符合实验要求(有六个以上的波峰)。

再将相关档位调到手动档位。

3)手动改变VG2k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-VG2k图，并求出Hg的第一激发电位(用逐差法)。

4.得出结论。

原始数据:1. Vf=1.3V VG1K=2.5V VG2p=1.5V T=157ºC求汞原子的第一激发电位的数据表大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验- zhou198865 - zhou198865的博客2. Vp=8.36V VG1=1.62V VG2k=0~100V Vf=2.64V求Ar原子的第一激发电位的数据表大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验- zhou198865 - zhou198865的博客数据处理：1. 求Hg原子的第一激发电位。

弗兰克赫兹实验报告内容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CN人才公文网小编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。

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。