弗兰克-赫兹实验(1)

夫兰克─赫兹（F —H ）实验一、实验内容：测定氩元素的第一激发电位，证明原子能级是量子化的。

二、实验仪器：夫兰克－赫兹实验仪器三、实验原理：设2E 和1E 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0U 的电场作用下获得能量0eU ，如果那么当电子与原子发生碰撞时，原子将从电子攫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。

图1 夫兰克-赫兹实验装置夫兰克-赫兹实验仪器如图1所示。

在玻璃器中充入要测量气体（本实验充氩气）。

电子由热阴极K 发出。

在K 与栅极G 2之间加电场使电子加速。

在G 2与接收极A 之间有一反电压。

当电子通过KG 2空间，进入G 2A 空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反电场而达到电极A ，成为通过电流计的电流。

如果电子在KG 空间与原子碰撞，把自己一部分的能量给了原子，使后者被激发。

电子剩余的能量就可能很小，以致过栅极G 2后已不足以克服反电势，那就达不到A ，因而也不流过电流计。

如果发生这样情况的电子很多，电流计中的电流就要显著地降低。

为了消除空间电荷对阴极电子发射的影响，在阴极附近再增加一栅极G 1，构成四极管。

把KG 2间的电压逐渐增加，观察电流计的电流。

这样就得到A 极电流Ip 随KG 间电压的变化情况，如图2所示。

电子在加速运动过程中，必然要与氩原子发生碰撞。

如果碰撞前电子的能量小于原子的第一激发电位U 0（对氩原子U 0=11.8伏），那么他们之间的碰撞是弹性的。

（这类碰撞过程中电子能量损失是很小的，约10-5倍）。

然而如果电子的能量U 达到U 0（实验中U>U 0），那么电子与原子之间将发生非弹性碰撞。

在碰撞过程中，电子的能量传递给氩原子。

假设这种碰撞发生在栅极附近，那些因碰撞而损失了能量的电子在穿过栅极之后将无力克服减速电压U G2A 而到不了A 极板，因此这时板流Ip 是很小的。

随着U G2K 的增加，电子与原子的非弹性碰撞区域将向阴极方向移动。

实验一 夫兰克－赫兹实验1914年，弗兰克（J. Franck ）和赫兹（G. Herts ）在研究充汞放电管的气体放电现象时，发现穿过汞蒸气的电子流随电子的能量显现出周期性变化，同年又拍摄到汞发射光谱的253.7nm 谱线，并提出了原子中存在着“临界电位”。

后来，弗兰克等人改进了实验装置，测得了亚稳能级和较高的激发能级，进一步证实了原子内部能级是量子化的，从而确证了原子能级的存在，为早一年玻尔提出的原子结构理论的假说提供了有力的实验证据。

他们的实验方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。

Ⅰ实验目的1. 本实验通过测定汞原子和氩原子的第一激发电位，证明原子中能级的存在；2. 了解弗兰克和赫兹实验研究原子内部能级量子化的基本思想和方法；3. 了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。

Ⅱ 实验原理1. 原子能级按照玻尔理论，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。

原子在能级间跃迁时，要发射或吸收一定频率的光子。

原子与具有一定能量的电子发生碰撞时，吸收电子的能量，也可以从低能态跃迁到高能态。

弗兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞而实现这种跃迁的。

为实现原子从低能态E n 向高能态E m 的跃迁，若与之碰撞的电子是在电势差V 的加速下，速度从零增加到v ，则当电子的能量满足2n m mv 21eV E E E ==−= 时，电子将全部动能交换给原子。

由于E m －E n 具有确定的值，对应的V 就应该有确定的大小。

当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的V 称为原子的第一激发电位（或中肯电位）。

因此，第一激发电位V 所对应的就是第一激发态与基态的能量差。

处于激发态的原子是不稳定的，它将以辐射光子的形式释放能量而自发跃迁到低能态。

如果电子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的V 称为该原子的电离电位。

最容易用电子和原子碰撞的方法来观测能级跃迁的原子是Hg ，Ne ，Ar 等一些惰性气体。

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.当原子吸收或放出电磁辐射时或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，电子给予原子以临界能量，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（G1）、阴极之间加上一电压U G1K(一栅、阴电压）。

如果此时在第二栅极（G2）、阴极间也加上一电压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)只有微小的能量交换。

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 A）板流(习惯叫法，即阳极电流)将随2栅的电压U G2K的增加而增大,当U G2K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. 所以板极电流I A将显著减小，以后随着二栅电压U G2K的增加，电子的能量也随着增加，与氩原子相碰撞后还留下足够的能量。

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。

数据处理（1） 计算第一激发电势和相对误差IA--UG2K 曲线数据2.8V2.6V3.0V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471.5289.171.580.371.1742.70.0500.01000.01500.02000.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.02.8V 2.6V3.0VI A ~ U G2K 曲线I A /μAU 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 70.4 448.70.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.08.5V 10.5V 6.5V通过比较有：① 反向拒斥电压的变化对极板电流有一定的影响；② 在其他因素相同的情况下，拒斥电压增大时，极板电流减小。

弗兰克赫兹实验报告内容(1)弗兰克赫兹实验报告内容引言：弗兰克赫兹实验是能够证实原子存在能级结构的重要实验之一，它在物理学的发展史上有着重要的地位。

本文将对弗兰克赫兹实验的原理、实验操作、实验结果和实验对现代物理学的影响等方面进行讲解。

一、实验原理弗兰克赫兹实验原理是利用电子束穿过气体时的散射现象，探测气体原子的内部结构。

气体原子在电子的撞击下，会激发出内部的原子能级，电子的能量和气体原子的电离能有关。

通过改变电子所受加速电压，可以得到不同的散射角度和电流强度，进而确定气体原子的能级结构。

二、实验操作1. 实验器材及布置弗兰克赫兹实验装置由电子枪、聚焦器、减速器、样品室、测量系统等组成。

电子枪通过电子发射管将电子加速至高速，再经过一系列的加速器和减速器，使电子速度匀称化、方向一致，达到与气体原子的碰撞速度一致的状态。

2. 实验过程将双极气体灯通电，使气体原子处于激发状态，在样品室内与电子束碰撞，散射角度越小，电流强度越大。

通过逐步调整电压，观测到电流的突变，即可得出气体原子的能级差。

三、实验结果弗兰克赫兹实验的结果证明了气体原子存在离散的能级，这一结果深刻地改变了现代物理学的理论框架。

弗兰克赫兹实验的可重复性和实验结果的高精度，使得其成为了核物理研究的基础。

四、实验对现代物理学的影响弗兰克赫兹实验直接证明了波粒二象性并非一种折衷主义，而代表了现实中微观世界真实的本质。

相继发展起来的量子力学与相对论理论体系，均对弗兰克赫兹实验的结果进行了充分的利用和深化，使得现代物理学得以向更高层次不断迈进。

结语：弗兰克赫兹实验是物理学研究中的一项基础性工作，为理论物理学的发展做出了突出的贡献。

弗兰克赫兹实验的严谨性、可重复性和高效性，对现代物理学的发展起到了关键的作用。