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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。
学生姓名：王培升学号：5502211065 专业班级：应用物理111班班级编号：S008__ 实验时间：14 时00 分第十二周星期二座位号：教师编号：成绩：夫兰克-赫兹实验实验目的：∙了解原子能量量子化，测定汞或氩原子的第一激发电势；∙了解集成运算放大器的基本单元电路原理；∙利用运算放大器的放大作用，组成测量电路进行弱电流测量。
实验原理：∙弗兰克-赫兹实验根据量子理论，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式中，为第一激发态能量（第一激发态是距基态最近的一个能态），为基态能量，为该原子第一激发能。
Figure 1: 弗兰克-赫兹实验的原理弗兰克-赫兹实验的原理可由图1来说明。
电子由阴极发出经由电压形成的电场加速而趋向板极，只要电子能量足以克服减速电压形成的电场时，就能穿过栅极到达板极形成电流。
由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原子发生碰撞。
如果电子能量小第一激发能，它们之间的碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒原理不难推得，电子损失的能量极小，电子能如期的到达板极，形成电流，学生姓名：王培升学号：5502211065 专业班级：应用物理111班班级编号：S008__实验时间：14 时00 分第十二周星期二座位号：教师编号：成绩：将随着的增大而增大。
但当电子能量达到时，电子与原子将在附近发生第一次非弹性碰撞，电子把能量传给气体原子。
碰撞后电子失去动能，损失了能量的电子将无法克服减速场到达板极造成了电流Ip的第一次下降。
若使继需增大，电子在经历了第一次非弹性碰撞后，仍有剩余动能到达板极，电流又会上升，直到达到两倍的时，使电子与原子发生两次非弹性碰撞，电流又再度下跌，余可类推。
如此反复将出现图2的曲线。
图2: 弗兰克-赫兹实验曲线∙集成运算放大器集成运算放大器是一种能够检测和放大支流与交流信号的固体器件。
实验32 夫兰克 -赫兹实验近代物理的标志是量子理论的建立,而量子理论的实验基础是原子光谱和各类碰撞研究。
1913年,丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)在卢瑟福原子核模型的基础上,结合普朗克的量子理论,成功地用原子结构理论解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论。
1914年夫兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法,使原子从低能级激发到较高能级,通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量,直接证明了原子内部量子化能级的存在。
同时,也证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的、不连续的,给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。
由于此项卓越的成就,他俩获得了1925年的诺贝尔物理学奖。
【实验目的】(l)通过测定氢原子的第一激发电位,证明原子能级的存在。
(2)分析温度、灯丝电流等因素对夫兰克-赫兹(F-H)实验曲线的影响。
【实验原理】根据玻尔提出的原子理论,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的能量。
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的能量。
为使原子从低能级E n 向高能级E m 跃迁,可以通过吸收一定频率ν的光子来实现,其光子的能量由下式决定:hv =E m -E n （1）也可能通过与具有一定能量的电子碰撞来实现,若与之碰撞的电子是在电位差V 的加速下,速度从0增加到v 并将全部能量交换给原子,则有212m n eV mv E E ==- （2） 由于E m -E n 有确定的值,对应的V 就应该有确定的大小。
当原子吸收电子的能量从基态跃迁到第一激发态时,相应的V 称为第一激发电位。
夫兰克 -赫兹实验原理如图1所示。
实验中原子与电子碰撞是在弗兰克-赫兹(F-H)管内进行的。
一般的夫兰克一赫兹管是在圆柱状玻璃管壳中沿径向或轴向依次安装加热灯丝、阴极K 、网状栅极G 及板极A,有的在阴极K 和栅极G 之间还安装有第一阳极G 1。
夫兰克—赫兹实验1913年，玻尔（N.Bohr ）将量子理论应用到原子上，提出了他的原子理论. 玻尔的原子理论除了由光谱研究得到证实外，1914年，夫兰克（J.Frank ）和赫兹（G.Herz ）利用低能电子与稀薄气体原子碰撞的方法，直接测得了原子的激发电势和电离电势，证实了原子中分立能级的存在. 夫兰克和赫兹为此获得了1925年诺贝尔物理学奖.【实验目的】1．通过对相应电压和微电流的测量，得出氩原子的第一激发电势，验证原子能级的存在。
2．学习原子激发的基本过程，理解微观原理。
3．用计算机观测I A ～U G2K 曲线。
【实验仪器】F-H 6 智能夫兰克—赫兹实验仪 微机【实验原理】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的跃迁。
夫兰克—赫兹实验原理如图1所示，在充氩气的夫兰克—赫兹管中，自由电子从被灯丝加热的阴极K 表面逸出，在阴极和控制栅极G 1之间的加速电压（第一栅压）K G U 1的作用下，电子将离开阴极并被加速后通过控制栅极(控制栅极G 1是为了消除电子在阴极附近的堆积效应，起到控制电子电流大小的作用)。
栅极G 2和阴极K 之间也存在对电子的加速电压（第二栅压）K G U 2，电子在G 1 G 2空间内一方面被加速，另一方面可能与氩原子相碰撞。
在板极Ａ和栅极G 2之间存在使电子减速的拒斥电压A G U 2。
当电子通过栅极G 2进入G 2A 空间时，只有那些动能够大，能克服A G U 2的电子才能通过栅极G 2到达板极形成板极电流A I 。
实验时使K G U 2从零逐渐图1夫兰克—赫兹实验原理图增加，观察板极电流A I 的变化，将得到如图2所示的A I ―K G U 2曲线。
从图中可以发现，A I 并不总是随K G U 2的增大而增大。
根据玻尔的原子理论，氩原子在基态的能量为0E ,第一激发态的能量为1E ，在起始阶段，电子的动能01E ＜E E K -，电子与氩原子碰撞时，电子的动能几乎没有损失，电子与氩原子弹性碰撞后仍按原来的速率运动。
弗兰克—赫兹实验实验题目：弗兰克—赫兹(F —H)实验实验原理：1 跃迁原理根据波尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一个定态相应一定的能量常称为能级，其数值彼此分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子。
然而，原子若与一定能量的电子发生碰撞，也可以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和原子的碰撞来实现这种跃迁。
通过控制加速电压U ，来控制电子的动能221mV ，当221122n m eU mV E E mV '==-+ 式中n m E E ,表示碰撞前后能级的能量，',V V 指碰撞前后电子的速度。
如果,1,0==n m跃迁到第一激发态；如果n ≤2∞<，跃迁到较高激发态；如果n →∞，此时原子被电离。
2 汞原子的能级结构本F —H 实验使用的碰撞管是充汞的，因为汞是单原子分子，能级较为简单。
汞原子是由原子核和核外80个电子组成的，在满的支壳外有两个价电子，在正常情况下，这两个电子都处于6s 态，所以它的基态组态为6s 2及基态的LS 组态为1S 0 。
处于激发态时，一个6s 电子可能被激发到较高的61P 1，63P 0 1 2， 61D 1，63D 1 2 3，61F 1，63F 2 3 4，71S 0等能量状态，甚至电离，而另一个电子仍留在6s 态，具体能级如图1所示。
且汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸汽压很低，加热就可改变它的饱和蒸汽压，汞的原子量较大与电子作弹性碰撞时，电子损失的能量极小，且电正性的汞也不容易和电子亲和而形成负离子，可以用来研究电子和原子碰撞的规律。
3 充汞的夫兰克—赫兹管的内部原理充汞的夫兰克—赫兹管如图2所示。
电子由热阴极发出，在整个实验过程中，阴极K 和第一栅极G 1之间为加速区，第一栅极G 1和第二栅极G 2为碰撞区（测第一激发电位同时也是加速区），第二栅极G 2和极板A 为反向区。
管内的总体电位如图3所示。
弗兰克---赫兹实验一、实验目的与要求（1） 用弗兰克—赫兹方法测定氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在。
（2） 掌握几种长度测量的方法及其误差分析。
二、实验类型综合性实验三、实验原理及说明波尔提出的原子理论指出：原子只能处于一些不连续的稳定状态之中，这些态具有分立的，确定的能量值，称为定态。
当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，就要吸收或辐射一定频率的光子，其频率ν的大小决定于原子所处两定态之间的能量差，并满足下面关系式n m E E hv -=（n m E E ,表示有关两定态的能量）原子从低能级向高能级的跃迁，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。
管内充有少量的氩，阴极K 加热后发射电子，电子在K 极与栅极G 之间的正向电压U GK 的作用下被加速，极板A 与G 之间加有反向电压U A ，对电子有阻挡作用，如果电子通过KG 空间进入GA 空间时，具有较大的能量（A eU ≥），就能冲过反向电场而到达A 极板形成电流，电流强度用微电流放大器A 来测量。
加速电压刚开始升高时，极板电流也随之升高。
这是因为电子能量较小，只与氩原子作弹性碰撞，氩原子内部能量不发生变化，电子能量没有损耗，可以冲过反向电场到达A ，形成电流。
随着电压继续升高，电子的能量增大，大到某一临界值时，将于氩原子在G 附近作非弹性碰撞，并将能量全部转移给氩原子，使氩原子产生能级跃迁。
这些损失了能量的电子不能越过U 阿产生的反向电场，到达极板的电子数减少，电流开始下降。
再继续增大U ，电子在与氩原子碰撞后还能在到达G 2前辈加速到足够的能量，克服反向电场的阻力而到达A 极板，这时电流又开始上升，直到G 与A 之间的电压是2倍的氩原子的第一激发电位时电子在G 2附近，又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到反向电场的阻挡而不能到达A 极板，电流再度下降。
同样道理，随着加速电压U 的增加，电子会在栅极G 附近与汞原子发生第三次，第四次。
