近代物理实验论文 07300300036 宋恩名 夫兰克--赫兹实验的探究

99实验 弗兰克—赫兹实验1914年弗兰克（F ．Franck ）和赫兹（G ．Hertz ）在研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，间隔为4.9eV 并拍摄到与能量4.9eV 相对应的光谱线2537Å。

对此，他们提出了原子中存在的“临界电势”的概念：当电子能量低于与临界电势相应的临界能量时，电子与原子碰撞是弹性的，而当能量达到这一临界能量时，碰撞过程由弹性变为非弹性，电子把这份特定的能量转移给原子使之受激，原子退激时再以特定的频率为光量子形式辐射出来，电子损失的能量ΔE 与光量子能量及光子频率的关系为 ΔE = eV = h νF-H 实验证实了原子内部能量是量子化的，为玻尔于1913年发表的原子理论提供了坚实的实验基础。

1920年弗兰克及其合作者对原先实验装置作了改进提高了分辨率测得了汞的除4.9eV 以外的较高激发能级和电离能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的。

1925年弗兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。

通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，扩大弹性碰撞和非弹性碰撞的知识，学习和体验弗兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的试验思想和实验方法。

实验原理根据玻尔理论原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子，当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能跃迁到高能级（激发）如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有： eV 1=21m e v 2 = E 1 - E 0 电子在电场中获得的动能和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态V 1称为原子第一激发电势（位）。

进行F-H 实验通常使用的碰撞管是充汞的。

这是因为汞是原子分子，能级较为简单，汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸气压很低，加热就可改变它的饱和蒸气压，汞的原子量较大和电子作弹性碰撞时图1 F-H 实验线路连接图几乎不损失动能，汞的第一激发能级较低— 4.9eV，因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值，当然除充汞蒸气以外，还常用充惰性气体如氖、氩等的，这些碰撞管温度对气压影响不大，在常温下就可以进行实验。

实验一 夫兰克—赫兹实验【实验概述】1913年，丹麦物理学家玻尔（N. Bohr ）将量子概念应用于当时人们尚未接受的卢瑟福（E. Rutherfond ）原子核结构模型上，并提出了原子结构的量子理论，成功地解释了氢光谱，为量子力学的创建起了巨大的推动作用。

但玻尔理论的定态假设与经典电动力学明显对立，而频率定则带有浓厚的人为因素，故当时很难为人们所接受。

正是在这样的历史背景下，1914年，两位德国的实验物理学家夫兰克（J. Frank ）和赫兹（G. Hertz ）采用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，利用两者的非弹性碰撞将原子激发到较高能态，通过测量电子与原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子能级的存在，并验证了频率定则，为玻尔理论提供了独立于光谱研究方法的直接的实验证明。

由于这项卓越的成就，这两位物理学家获得了1925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。

【实验目的】1．了解夫兰克-赫兹实验的原理和方法，电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像和影响这个过程的主要物理因素。

2．测量氩原子的第一激发电位，加深对原子能级的理解。

【实验原理】1．玻尔提出的量子理论指出：⑴ 原子只能较长久地停留在一些稳定状态（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，其数值是彼此分立的，这些能量值称为能级，最低能级所对应的状态称为基态，其他高能级所对应的态称为激发态。

原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能使原子由一个定态跃迁到另一个定态。

⑵ 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 代表有关两定态的能量，辐射的频率ν确定于普朗克公式：n m E E h -=ν （1-1）式（1-1）中的h 为普朗克常数，其值为6.6260×10-34J ·s 。

弗兰克赫兹实验验证原子内能量子化模型江会常 010*********(中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛***************************)摘要：波尔原子理论在1913年由提出，一年之后弗兰克和赫兹就通过测定汞原子第一激发态证明了这一理论。

本文结合波尔原子理论，研究加速后的电子通过碰撞原子从而使原子轨道上的电子从基态跃迁到第一激发态，分析碰撞过程中电子与原子的能量交换。

并利用弗兰克赫兹实验方法，测得不同条件下的I P−U G2K 关系曲线和第一激发电压，并通过比较分析充分证明了波尔的原子内能量子化的正确性。

关键词：波尔原子理论；第一激发态；跃迁；能量交换19世纪末，科学家们提出许多原子模型，以汤姆生提出的“枣糕模型”最具影响。

1909年，卢瑟福通过α射线散射实验以及严密的论证否定了汤姆生的模型，提出了原子的核式结构模型。

1913年，波尔在原子核式结构模型的基础上，将量子化理论运用到原子结构上，提出了波尔的原子量子化理论[1]。

1实验原理1.1波尔原子理论原子中的电子在稳定轨道（见图1）上，不发射也不吸收能量，此时原子处于稳定态，每个原子有无限多分立的稳定态，他们由一些确定的内部能级（见图二）来表征。

原子通过光子或者碰撞吸收能量时，电子向高能级跃迁；电子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量。

原子从一个定态跃迁到另一个定态，发射或吸收辐射时，辐射频率γ与二定态的能量关系hγ=E m−E n其中，h为普朗克常数，E m，E n是原子在两个定常态的能量图 1 原子能级轨道图 2 原子能级跃迁1.2碰撞激发原子从低能级向高能级跃迁，可以通过吸收辐射的方式来实现，也可以通过具有一定能量的电子与原子碰撞，以能量交换方式来实现。

设电子在电位差为U 0的加速电压作用下，获得的动能为eU 0，当具有这种能量的电子与气体原子发生碰撞时，如电子能量少于临界能量（从基态跃迁到第一激发态所需能量），则发生弹性碰撞，电子能量几乎不变；如果达到临界能量（或临界能量的整数倍）；则发生非弹性碰撞，这时电子的能量给予原子，使其由基态跃迁到地一激发态，相应的加速电压称为第一激发电压。

夫兰克—赫兹实验Cardiff frank - hz experiment作者姓名：石业骏（学号090102237）Author's name：Shi Ye Jun （Registration number:090102237）摘要：本实验从基本实验入手，测量了第一激发态电位，然后进一步分析不同条件下I-U的曲线图形变化，测量电离电位。

讨论其图形呈现橄榄状的原因。

Summary: This experiment from basic experiment of measuring the first, andthen further analysis time-evolution-operator potential under various conditionsUg1g2 curve Ia - graphics changes, measuring ionization potential. Discuss the graphics present olive shape reasons.关键词:激发夫兰克—赫兹试验仪Key words : Stimulate Cardiff frank - hz tester引言：1914年夫兰克（F.Frank）和他的助手赫兹（G.Hertz）在研究气体放电现象中电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子能量呈现周期性变化，间隔为4.9eV，并拍摄到与能量4.9eV相对应的光谱线253.7nm，即采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法，简单而巧妙地直接验证了原子能级的存在，证实了原子内部能量是量子化的，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。

由于此项工作卓越的成就，1925年夫兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。

1900年是量子论的诞生之年，它标志着物理学由经典物理迈向近代物理。

量子论的基本观念是能量的不连续性，即能量是量子化的。

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1．了解夫兰克-赫兹实验的原理和方法，测定汞的第一激发电位，验证原子能级的存在； 2．练习使用微机控制的实验数据采集处理系统。

二．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，这些轨道上的电子数分布各不相同。

一定轨道上的电子具有一定的能量，能量最低的状态称为基态，能量较高的状态称为激发态，能量最低的激发态称第一激发态。

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。

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。

原子只能处在一些稳定状态中，其中每一状态具有一定的能量值),3,2,1( =i E i ，这些能量值是彼此分立、不连续的，称为能级。

(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，即从一个能级跃迁到另一个能级，就发射或吸收的一定频率的电磁辐射，电磁辐射的频率ν由下式决定hE E nm-=ν (1) 式中，h 为普朗克常数，1986年推荐值为s J 10)0000040.06260755.6(34⋅⨯±=-h 。

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或汞原子相碰撞而发生能量交换来实现原子状态的改变。

由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需的能量不能小于该原子从基态跃迁到第一激发态时所需的能量，这一能量称为临界能量。

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激发态时所需要的能量，其余的能量仍由电子保留。

一般情况下原子在激发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。

大学物理实验报告-夫兰克-赫兹实验夫兰克-赫兹实验报告一、实验目的1.了解和掌握夫兰克-赫兹实验的基本原理和操作方法。

2.通过夫兰克-赫兹实验，了解电子在强电场中的运动规律和能级分布。

3.通过对实验数据的分析和处理，加深对量子力学基本原理的理解和应用。

二、实验原理夫兰克-赫兹实验是研究电子在强电场中的运动和能级分布的重要实验，它利用电子枪将电子加速到高速状态，然后通过调节加速电压和电极间隙，观察电子与静态电压作用后的电流变化。

电子枪采用热阴极电子管，通过加热阴极材料使其发射电子，然后在阳极电压的作用下形成电子束打到高速旋转的靶上。

电子与靶的碰撞会激发出二次电子，这些二次电子在空间电荷场的作用下形成电流。

当加速电压逐渐增加时，电子的动能也逐渐增加，它们与靶的碰撞会更加剧烈，产生的电流也会随之增加。

当加速电压达到一定值时，电流会突然增加一个数量级，这就是夫兰克-赫兹效应。

通过对实验数据的分析和处理，可以得出电子在不同能级下的运动规律和能级分布，进而验证量子力学的基本原理和方程。

三、实验步骤1.按照实验设备的布置要求连接好实验电路，并检查各电器连接是否完好；2.将电子枪和阴极打拿掉后进行预热，同时调整阳极电流至适当值；3.逐渐增加加速电压，并记录各电压下的电流值；4.当电流突然增加一个数量级时，即为夫兰克-赫兹效应的出现时刻；5.继续增加加速电压并记录各电压下的电流值，直到电流值趋于稳定；6.改变阳极电流值并重复上述步骤；7.对实验数据进行处理和分析，得出电子在不同能级下的运动规律和能级分布。

四、实验结果及分析1.实验结果：通过夫兰克-赫兹实验，我们观察到了明显的夫兰克-赫兹效应的出现时刻，并记录了各电压下的电流值。

2.数据处理与分析：通过对实验数据的分析和处理，我们得出了一些电子在不同能级下的运动规律和能级分布。

发现当加速电压达到一定值时，电流会突然增加一个数量级；随着加速电压的增加，电流也会继续增加；当加速电压达到一定值时，电流会趋于稳定。

夫兰克—赫兹实验【实验目的】1、通过测定氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在，了解原子能级的量子化结构；2、学习夫兰克和赫兹研究原子内部能量量子化的基本思想和实验方法，了解电子与原子弹性碰撞和非弹性碰撞的机理。

3、练习使用微机控制的实验数据采集系统。

【实验原理】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．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．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．设1E 和0E 分别为原子的第一激发态和基态能量．初动能为零的电子在电位差1V 的电场作用下获得能量1eV ，如果 211012e eV m v E E ==-， 那么当电子与原子发生碰撞时，原子将从电子获取能量而从基态跃迁到第一激发态．相应的电位差就称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K 和栅极G 之间的加速电压G V 使电子加速，在板极P 和栅极G 之间有减速电压P V ．当电子通过栅极G 进入GP 空间时，如果能量大于P eV ，就能到达板极形成电流p I ．电子在KG 2空间与氩原子发生非弹性碰撞，电子本身剩余的能量小于P eV ，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G V 逐渐增加，观察板极电流的变化将得到如图3所示的P G I V 曲线．图1 夫兰克一赫兹实验原理图（三极）随着G V 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GP 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2E 时，电子在KG 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P G I V 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G V 之差，即为氩原子的第一激发电位．这就证明了氩原子能量状态的不连续性．也可以在三极的F-H 管的阴极附近加一控制栅极改为四极管，如图2所示．图中G 1为控制栅极，其作用是加一个正向电压1G V ，用以消除电子在阴极附近的堆积效应，并起到控制电子流大小的作用．1G V 的大小一般取在1-2伏． 【实验装置】FD-FH-Ⅰ型夫兰克—赫兹实验仪、示波器图5 FD-FH-Ⅰ型夫兰克—赫兹实验仪正面板示意图（1） p I 电流显示 注：表头示值乘以(2)指示挡后即为p I 电流实际测量值； 图4 实验装置V G2图3 p I ～2G V 曲线图2 夫兰克一赫兹实验原理图（四（2） p I 电流增益波段开关：分为A μ1、nA 100、nA 10、nA 1四档；（3） 电压显示 注：与（8）相关，可以分别显示F V 、1G V 、P V 、2G V 值，其中2G V 的实际测量值为表头数示值“V 10⨯”； （4）2G V 电压调节旋钮； （5） P V 电压调节旋钮； （6） 1G V 电压调节旋钮； （7） F V 电压调节旋钮；（8） 电压值示波段开关：与（3）相关，旋转指示F V 、1G V 、P V 、2G V 电压数值； （9） p I 输出端口：接示波器；（10）2G V 扫描速度开关：达“快速”时可以在示波器上观察稳定的2p G I V ～曲线图样；（11）2G V 扫描开关：接示波器时拨至“自动”档，可以观察曲线图，记录数据时拨至“手动”档； （12）2G V 输出端口：接示波器； （13） 电源开关． 【实验内容及步骤】 开机预热5分钟 1．手动测量2p G I V ～曲线将扫描开关拨至“手动”档扫描速度开关调至“慢速”，调节2G V 至最小，然后逐渐增大其值，寻找p I 值的极大和极小值点，以及相应的2G V 值，即找出对应的极值点（2G V ，p I ），也即2P G I V 关系曲线中波峰和波谷的位置，相邻波峰或波谷的横坐标之差就是氩的第一激发电位．每隔1V 记录一组数据，列出表格，然后描画氩的2PG I V 关系曲线图．注：记录数据时，p I 电流值应为表头示值乘以电流增益波段开关选择的档示值，如表头显示“3.23”，电流增益波段开关选择“10nA ”，那么实际测量p I 电流值应该为“32.3nA ”；而2G V 实际测量值应该为：表头示值10V ⨯，如，表头显示“6.35”，那么实际2G V 电压值应为“63.5V ”． 2．用计算机采集软件记录2p G I V ～曲线(1)把扫描开关调至“自动”档，扫描速度开关调至“快速”，把p I 电流增益波段开关拨至“nA 10”；(2)分别调节F V 、1G V 、P V 电压至主机上部厂商标定数值，将2G V 调节至最大，此时打开计算机上数据采集软件记录氩的2p G I V ～曲线． 【数据处理】表一 F V = ，1G V = ，P V =2()G V V 从10V-100V 每个1V 测量一次电流强度1）在坐标纸上手绘2P G I V 曲线；2）记录峰值对应的2G V 值i V ，填入下表格：根据式子1133r A iV V =⋅∆∑，计算氩原子的第一激发电位r A V ，并与其公认值11.8V 进行比较． 3) 将计算机采集软件记录2p G I V ～曲线打印附于实验报告后【注意事项】1．仪器应该检查无误后才能接通电源．开关电源前应先将各电位器逆时针旋转至最小值位置． 2．灯丝电压不宜过大，一般在2V 左右，如电流偏小再适当增加．3．调节2G V 和F V 时注意，2G V 和F V 过大会导致管子电离，此时管内电流会自发增大至烧毁管子，所以一旦发现P I 出现负值或者正值超过10A μ，应迅速关机，5分钟后再重新开机做实验． 4．实验完毕，应将各电位器逆时针旋转至最小值位置． 【思考题】1．2P G I V 曲线形成的物理过程是什么？为什么2P G I V 曲线峰值越来越高？2．2P G I V 曲线中的第一个峰值对应的横坐标电压值，是否就是氩原子的第一激发电位？请说明原因．3．为什么夫兰克-赫兹管的栅极和板极之间要加反向拒斥电压?拒斥电压P V 对P I 如何影响？ 4．为什么2PG I V 呈周期性的变化？5．灯丝电压的改变对F —H 实验有何影响？对第一激发电位有何影响？ 6．F —H 实验是如何观测到原子能级变化的?。