弗兰克_赫兹实验报告

弗兰克-赫兹实验报告

【实验数据及处理】

一、H g管

表1 参数

U1U3温度

1.5V

2.0V 176℃

表2 粗测

峰（n） 1 2 3 4 5 6 7 U kg2/V 1.1 4.9 9.7 14.5 19.5 24.4 29.3

表3 Hg管扫描电压U kg2与U out记录表

2.2 0.007 6.8 0.009 12.2 0.036 2.5 0.007 7.0 0.010 12.5 0.061 2.7 0.007 7.2 0.012 12.8 0.082

2.9 0.007 7.5 0.019 1

3.1 0.115

3.2 0.009 7.8 0.025 13.4 0.158 3.4 0.010 8.2 0.044 13.6 0.206

3.7 0.012 8.4 0.054 13.8 0.244

4.0 0.014 8.6 0.071 14.0 0.282 4.1 0.016 8.8 0.093 14.2 0.323 4.2 0.018 9.1 0.118 14.3 0.340 4.3 0.019 9.2 0.126 14.5 0.344 4.4 0.020 9.3 0.138 14.6 0.339 4.5 0.023 9.4 0.143 14.8 0.276 4.6 0.026 9.5 0.153 1

5.0 0.215 4.7 0.027 9.6 0.158 15.3 0.134 4.8 0.030 9.7 0.158 15.5 0.094 4.9 0.031 9.8 0.156 15.8 0.051 1

6.0 0.040 20.5 0.115 25.6 0.214 16.2 0.028 20.8 0.074 25.9 0.125 16.3 0.026 20.9 0.067 26.1 0.110 16.4 0.025 21.1 0.044 26.3 0.094 16.5 0.029 21.3 0.045 26.4 0.094 16.7 0.034 21.5 0.050 26.5 0.097

表4 Hg 管峰值表

线性拟合后，得直线1714.47143.4y -=x ，相关系数999.02

=R ,

标准差07.02

71999.01

7143.42n 1121

1=--?=--=R U U σV V U ）（07.07143.41±=

二、减速电压U 3对实验的影响（使用Hg 管）

表5 参数

U 1 U 3 温度 1.5V

3.5V 176℃

表6 改变U 3后的U kg2与U out 记录表

三、Ar管

表7 Ar管扫描电压U kg2与U out记录表

22.8 2.6 48.2 6.8 73.7 11.1

23.2 2.5 48.6 7.3 74.1 11.4

23.6 2.5 49 7.9 74.5 11.8

24 2.7 49.3 8.4 74.9 12.3 24.3 2.8 49.7 8.8 75.2 12.5

24.7 3.1 50 9.2 75.6 12.7

25 3.3 50.3 9.5 75.8 12.9 25.4 3.6 50.7 9.8 76.2 12.9

25.7 3.9 51 10 76.3 13

26 4.1 51.1 10 76.5 13.1 26.4 4.5 51.3 10.1 76.9 13.2

26.7 4.8 51.4 10.1 77.2 13.2

27 5.1 51.6 10.2 77.4 13.2 27.3 5.4 51.8 10.3 77.6 13.1

27.7 5.7 52.1 10.4 78 13

28.1 6 52.4 10.4 78.4 12.8 28.4 6.2 52.7 10.4 78.8 12.4

28.7 6.3 53 10.3 79.2 12.1

29 6.5 53.4 10.2 79.6 11.7 29.3 6.5 53.8 9.9 80 11.2

29.7 6.5 54.2 9.5 80.4 10.7

30 6.4 54.6 9.1 80.8 10.3 30.3 6.3 55 8.5 81.2 10

表8 Ar 管峰值表

线性拟合得直线2867.5909.11+=x y ，相关系数9998.02=R

标准差V R U U 08.02

61

9998.01

909.112n 1121

2=--?=--=σ V U ）（08.0909.111±=

【思考题】

改变减速电压U g2p 对曲线有何影响？并用实验验证。

实验发现，在不同的U g2p下，U kg2-U out的图线走势相同，但有一个整体的移动。当U g2p 增加时，图线向右下方移动。图中仅画出Hg管的最后两个峰。

【分析】

当反向电压U g2p增大时会有更多的电子在到达p极板之前损失掉所有的动能，不能形成电流。因此，仅就图线的峰来说，它对应着电子在到达栅极g2时，绝大多数动能刚好略小于原子的激发能，增加U g2p会使得峰的高度降低。同时，为了使得到达极板p的电子数占总数的比重最大，在提高U g2p的同时，也要提高U kg2的大小。这是因为提高U kg2会让电子到达栅极g2时的动能加大，更多比重的电子会跨过U g2p的阻碍到达极板p，形成电流，所以峰也要向右移动。综合两个方面分析，当U g2p增加时，图像会向右下方移动。

【分析与讨论】

1.实验中测得的各种曲线有什么主要特征？如何理解？

有明显的周期性。随着U kg2的增大，U out的峰值和谷值均逐渐增大，各峰值之间有明显的线性关系。

①周期性。电流的周期性来源于电子与气体原子间的碰撞。电压从零开始增加时，电子动能也随之增加，射向阳极的电子数也增加，这时虽然电子与汞原子间有碰撞，但这时属于弹性碰撞，电子并不损失能量因而电流随电压增加而增加。当电压超过U1时，电子与汞原子发生非弹性碰撞，使汞原子从基态跃迁到激发态，电子因损失了动能而不能克服反向电压U gp的阻滞到达极板p，从而电流下降。电压继续增加，发生非弹性碰撞后的电子动能继

续增加，当电子的动能大于|eU gp|时，它就能到达极板p，从而使电流上升。当电压超过2U1时，电子与汞原子又发生非弹性碰撞，电流再次下降，多次重复，就形成了具有明显周期性的特性曲线。

②峰点连线。实验结果表明，峰点的连线是一条直线，该直线既不依赖于灯丝电压的变化，也不依赖于U g2p的变化，应该是弗兰克赫兹管某种固有性质的表现。考虑到该直线的斜率具有电导的量纲，所以，该直线斜率代表的是弗兰克赫兹管的临界电导（即临界状态下的电导）[1]。

③谷底高度。极板电流与加速电压关系曲线的谷底不在横坐标轴上，而具有一定的高度。这一特征表明，即使是在热电子与气体原子发生碰撞损失能量的高峰期，极板电流也不为0。此时，极板电流由那些没有因碰撞而损失能量的热电子的贡献所致，称之为谷底电流（反映的是不因碰撞而损失能量的热电子的概率）。谷底电流有以下特点：1）第一个谷底为电子不发生一次碰撞的概率，第二个谷底为电子不发生一次碰撞的概率与发生一次碰撞的但不发生第二次碰撞的概率之和，以此类推；2）前三个谷底均较为偏低，反应出热电子在与气体原子发生碰撞损失能量的过程中，发生1~3次连续碰撞的概率最大，之后越来越小[1]。

2.分析测量第一激发电位时误差的主要来源。

①在实验时，由于电压的间隔不连续，故测量的峰值会有一定的误差。间隔越大，误差越大。

②在读数时，由于由于仪器的示数一直在跳动，因此所读的数据本身有一定的误差。

③Hg管的扫描栅压上限位30V，有7个峰值，Ar管的扫描栅压上限85V，有6个峰值，因此随机误差较大，如果实验条件允许，提高扫描栅压上限，测10个峰左右较好。

[参考文献]

[1] 斌.弗兰克赫兹实验的物理分析[J].师学院学报，2010，9（2）：87-89

弗兰克赫兹实验

弗兰克－赫兹实验 1．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。 2．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，这些轨道上的电子束分布各不相同。一定轨道上的电子具有一定的能量。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。若轨道1为正常态，则较高能量的2和3依次称为第一受激态和第二受激态，等等。但是原子所处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。原子只能处在稳定状态中，其中每一状态相应于一定的能量值Ei （i ＝1，2，3，…），这些能量值是彼此分立的，不连续的。 （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，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系： n m h E E ν=- 其中34 6.6310 h J s -=??称作普朗克常数。 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原子相碰撞而发生能量交换来实现汞原子状态的改变。 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，电子给予原子以跃迁到第一受激态时所需要的能量，其余能量仍由电子保留。 一般情况下，原子在受激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。其频率υ满足下式 g h eU ν= 式中g U 为汞原子的第一激发电位。所以当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。 弗兰克－赫兹实验的原理可用图 来说明。其中弗兰克－赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充汞四极管。第一栅极1G 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响提高发射效率。第一栅极1G 与阴极K 之间的电位差由电源G U 提供。电源f U 加热灯丝FF ，使旁热式阴极K 被加热，从而产生慢电子。扫描电源a U 加在栅极2G 和阴极K 之间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内汞蒸汽朝栅极2G 运动。由于阴极到栅极2G 之间的距离比较大，在适当的汞蒸气压下，这些电子与汞原子可以发生多次碰撞。电源R U 在栅极2G 和极板P 之间建立一拒斥场，到达2G 附近而能量小于R eU 的电子不能到达极板。极板电路中的电流强度P I 用微电流放大器A 来测量，其值大小反映了从阴极到达极板的电子数。实验中保持R U 和G U 不变，直接测量极板电流P I 随加速电压a U 变化的关系。 加速电压a U 刚开始升高时，板极电流也随之升高，直到加速电压a U 等于或稍大于汞原子的第一激发电位，这时在栅极2G 附近电子与汞原子发生非弹性碰撞，把几乎全部的能量交给汞原子，使汞原子激发。这些损失了能量的电子不能越过R U 产生的拒斥场，到达板极的电子数减少，所以电流开始下降，继续增加a U ，电子在与汞原子碰撞后还能在到达2G 前被加

弗兰克赫兹实验报告-有数据

弗兰克赫兹实验报告-有数据

弗兰克赫兹实验 作者 luckydog8686 实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。 一、实验目的 1.通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。 2.学习测量微电流的方法。 二、实验原理 （一）原子能级 根据玻尔理论，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。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频 率的光子。然而，原子若与具有一定 能量的电子发生碰撞，也可使原子从 低能级跃迁到高能级。夫兰克－赫兹 实验正是利用电子与原子的碰撞实现

这种跃迁的。电子在加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能2 /2mv ，当2 /2n m eU mv E E ==-时，即可实现跃迁。若原子吸收能量0eU 。从基态跃迁到第一激发态，则称0 U 为第一激发电位或中肯电位。 汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个6s 电子组成的1 S ，较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构成的11P 单能级和32P ， 3 1 P 和30P 组成的三能级。只有31P 为允许自发跃迁态：31 10 P S →,发出波长为253.7nm 的紫外光，对应能量为0 4.9U eV =。32P 和3 P 为亚稳态，因3110P S →的跃迁属于禁戒跃迁，所以通常把3 1 P 态称为汞的第一激发态。 （二）原理说明 实验原理图如图2和图3所示，充汞的夫兰克 -赫兹管，其阴极K 被灯丝H 加热，发射电子。电子在K 和栅极G 之间被加速电压KG U 加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极A 之间加反向拒斥电压GA U ，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成板流A I 。 图3

夫兰克-赫兹实验

夫兰克-赫兹实验 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。 ［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。 ［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(图 1)。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。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(如图1中从Ⅰ到Ⅱ)，原子就处于受激状态。若轨道Ⅰ为正常状态，则较高能量的Ⅱ和Ⅲ依次称为第一受激态和第二受激态，等等。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。原子只能处在稳定状态中，其 中每一状态相应于一定的能量值i E (i =1,2,3…)，这些能量 值是彼此分 立的，不连续的。 (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，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。频 率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系： m n E E hv -= (1) 图1 原子结构示意图（玻尔模型）

实验七 弗兰克 赫兹实验

实验七弗兰克—赫兹实验 1913年，丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)在卢瑟福原子核式模型的基础上，结合普朗克的量子理论提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱现象，成为原子物理学发展史上的一个重要里程碑。在玻尔原子结构理论发表的第二年，弗兰克(J.Frank)和赫兹(G .Hertz)在研究汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸气的电子流随电子能量呈现周期性的变化，同年又观察到汞光谱线253.7nm 的发射光谱。1920年，弗兰克他们改进了装置，测得了汞原子的亚稳能级和较高的激发能级，进一步证明了原子内部量子化能级的存在，以及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。弗兰克和赫兹由于他们在实验上的卓越成就，共同获得了1925年的诺贝尔物理学奖。弗兰克—赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。 一、实验目的 1．通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在，了解弗兰克和赫兹研究原子内部结构的基本思想和方法。 2．了解电子与原子碰撞和能量交换的微观图象以及影响这个过程的主要物理因素。 二、实验仪器 FD-FH-1型弗兰克—赫兹仪、双踪示波器。 三、实验原理 玻尔的原子模型指出：原子是由原子核和核外电子组成的。原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。对于不同的原子，在轨道上运动的电子分布各不相同。 在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量。当一个原子内的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，该原子就处于一种受激状态。如图35-l 所示，若轨道Ⅰ上为正常状态，则电子从轨道Ⅰ跃迁到轨道Ⅱ时，该原子处于第一激发态；若电子跃迁到轨道Ⅲ，原子处于第二激发态。图中，E 1、E 2、E 3分别是与轨道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ相对应的能量。当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级E n 态跃迁到高能级E m 态，则原子需吸收一定的能量△E m n E E E ?=-(35-1)

实验报告 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。如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定: hv=|Em-En|(1) 式中:h为普朗克常量。 原子从低能级向高能级跃迁，也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来实现。本实验即让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是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eU，若eU小于E2-E1这份能量，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量eU≥E2-E1时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸收相当于E2-E1的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。设使电子具有E2-E1

弗兰克赫兹实验思考题答案

弗兰克—赫兹实验思考题答案 [预习思考题] 1、什么是能级？玻尔的能级跃迁理论是如何描述的？ 答：在玻尔的原子模型中，原子是由原子核和核外电子所组成，原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量，轨道不同，能量的大小也不相同。这些与轨道相联系、大小不连续的能量构成了能级。 当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级Ｅn跃迁到高能级Ｅm，则原子需吸收一定的能量，该能量的大小为△E： △E＝Ｅm－Ｅn 若电子从高能级Ｅm跃迁到低能级Ｅn，则原子将放出能量△E。 2、为什么I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流随U G2K的增大而增大？ 答：电子与汞原子的碰撞有一定的几率，总会有一些电子逃避了碰 撞，穿过栅极而到达板极。随着U G2K的增大，这些电子的能量增大，因此在I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流也随着增大。 [实验后思考题] 1、温度对充汞F－H管的I G2A－U G2K曲线有什么影响？ 答：当温度过大时，单位体积内的汞原子数增加，电子的平均自由程减小，电子与汞原子的碰撞次数增加，因此，在整个加速过程中，弹性碰撞的总能量损失相应增大，其I G2A电流减小。

２、在I G2A－U G2K曲线上，为什么对应板极电流I G2K第一个峰的加速电压U G2K不等于4.9V？ 答：对应板极电流I G2K第一个峰的加速电压U G2K不等于4.9V的主要原因是：由于阴极与栅极不是由同一种材料组成，其间存在接触电势差。３、如何利用该套实验设备测出汞原子的电离电势？ 答：利用该套实验设备测量汞原子的电离电势的方法是：降低炉温，重新选择U G1K、U G2A，谨慎地选择灯丝电压，使得在第二个第一激发电位峰出现后即出现电离峰，以电离曲线中的第一个峰（对应4.9V）为定标标准，求出电离峰与第一峰的距离，即可知电离电位。或在不改变温度的情况下，选择合适的U G1K、U G2A，遏止全部电子，将全部离子拉向板极，测量离子电流与U G2K的曲线，则该曲线拐点处即为电离电位。

弗兰克—赫兹实验报告

弗兰克—赫兹实验

一、实验目的 1、了解弗兰克--赫兹试验的原理和方法； 2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法； 3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。 二、实验原理 玻尔提出的原子理论指出：原子只能较长地停留在一些稳定的状态。原子在这种状态时，不发射或吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔得。原子的能量不论通过什么方式改变，它只能从一个状态跃迁代另一个状态。原子从一个状态跃迁到另一个状态而发射或吸收能量时，辐射的频率是一定的。于是有如下关系： n E m E hv -=， 式中，h 为普朗克常数。为了使原子从低能级想高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与燕子相碰撞进行能量交换的办法来实现。 图1 弗兰克-赫兹管结构图 夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K ，板极A ，G 1 、G 2分别为第一、第二栅极。

K-G 1-G 2加正向电压，为电子提供能量。1G K U 的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影响，提高发射效率。G 2-A 加反向电压，形成拒斥电场。 电子从K 发出，在K-G 2区间获得能量，在G 2-A 区间损失能量。如果电子进入G 2-A 区域时动能大于或等于e 2G A U ，就能到达板极形成板极电流I . 电子在不同区间的情况： 1. K-G 1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。 2. G 1-G 2区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差 E ＝E 2E 1 时，氩原子基本不吸收电子 的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到E ，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。 E 称为临界能量。 3. G 2-A 区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eU G2A 则不能达到板极。 由此可见，若eUG2K< E ，则电子带着 eUG2K 的能量进入G2-A 区域。随着UG2K 的增加，电流I 增加（如图2中Oa 段）。 若eUG2K ＝ E 则电子在达到G2处刚够临 界能量，不过它立即开始消耗能量了。继续增大 UG2K ，电子能量被吸收的概率逐渐增加，板极电流逐渐下降（如图2中ab 段）。 继续增大UG2K ，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc 段）。 若eUG2K>n E 则电子在进入G2-A 区域之前可能n 次被氩原子碰撞而损 失能量。板极电流I 随加速电压 2G K U 变化曲线就形成n 个峰值，如图2所示。 图2弗兰克-赫兹实验2 G K U ～I 曲线 a b c I (nA) 2G K (V) U O U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 7

弗兰克赫兹实验数据处理

数据处理 （1） 计算第一激发电势和相对误差 IA--UG2K 曲线数据 2.8V 2.6V 3.0V 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4 71.5 289.1 71.5 80.3 71.1 742.7 0.0500.0 1000.0 1500.0 2000.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 2.8V 2.6V 3.0V I A ~ U G2K 曲线 I A /μA U 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 70.4 448.7

夫兰克-赫兹实验思考题(DOC)

一、夫兰克-赫兹管的伏安特性曲线的奇异性的来源 玻尔原子模型理论指出： 1. 原子只能处在一些不连续的稳定状态（定态）中，其中每一定态对应于一定的能量(1,2,3,)i E i =。 2．当一个原子从某定态m E 跃迁到另一定态n E 时，就吸收或辐射一定频率 的电磁波，频率的大小决定于两定态之间的能量差m n E E -，并满足以下关系： m n hv E E =- 式中普朗克常数346.62610h J s -=??。 原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受到其他有足够能量的粒子碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。从基态跃迁到第一激发态所需要的能量称为临界能量。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，电子碰撞前后能量不变，只改变运动方向。如果电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞，这时电子可把数值为21E E E ?=-的能量传递给原子（2E 是原子第一激发态能量，1E 是基态能量），其余能量仍由电子保 留。 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1G 之间的加速电压1G K V 及与第二 栅极2G 之间的加速电压2G K V 使电 子加速。在板极A 和第二栅极2G 之 间可设置拒斥电压2G A V ，管内空间 电压分布如图2所示。 当灯丝加热时，阴极的外层即 发射电子，电子在1G 和2G 间的电场 图 1 夫兰克-赫兹实验原理图 作用下被加速而取得越来越大的

能量。但在起始阶段， 由于电压2G K V 较低，电 子的能量较小，即使 在运动过程中，它与 原子相碰撞（弹性碰 撞）也只有微小的能 量交换。这样，穿过 图 2 夫兰克-赫兹管内空间电位分布原理图 第二栅极的电子所形成的电流A I 随第二栅极电压2G K V 的增加而增大（图 3 oa 段）。当2G K V 达到氩原子的第一激发电位时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞（非弹 性碰撞）。电子把从加 图 3 夫兰克-赫兹管的伏安特性曲线 速电场中获得的全部能量传递给氩原子，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，即使它穿过第二栅极，也不能克服拒斥电压2G A V 从而被折回第二栅极，所以板极电流A I 将显著减小（图3 ab 段）。氩原子在第一激发态不稳定，会跃迁回基态，同时以光量子形式向外辐射能量。以后随着第二栅极电压2G K V 的增加，电子的能量也随之增加，与氩原子相碰撞后还留下足够的能量，这样就可以克服拒斥电压2G A V 的作用力而到达板极A ，这时电流又开始上升（图3 bc 段）。直到2G K V 是2倍氩原子的第一激发电位时，电子在2G 与K 间又会因第二次弹性碰撞失去能量，因而造成了第二次板极电流A I 的下降（图3 cd 段）。这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。若以2G K V 为横坐标， 以板 10 50 100 2G (V)

弗兰克-赫兹实验实验报告

弗兰 克-赫兹实验 一实验目的 通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。 二实验原理 1激发电势 玻尔的原子能级理论 （1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（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，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。 （2）原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足 n m E E hv -=（1） 原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。 设初速度为零的电子在电势差为U 的加速电场作用下，获得的能量为eU ，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E 1带表汞原子的基态能量，E 2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为 120E E eU -=（2） 时，汞原子就会从基态跃迁到第一激发态。相应的电势差称为汞的第一激发电势（中肯电势）。 夫兰克-核子实验原理如图1示。 在充汞的夫兰克赫兹管中， GK 供电子加速。在板极A 和栅极G 示。当电子通过KG 空间进入GA 空间时，如果有较大的能量（≥eU AG ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA 检测出。如果电子在KG 空间与汞原子碰

撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显着的减小。 实验时，观察电流计的电流随U GK 逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的I A -U GK 曲线。曲线反映了汞原子在KG 空间与电子进行能量交换的情况。当KG 空间电压逐渐增加时，电子在KG 空间被加速而取得越来越大的能量。但起始阶段，由于电压较低，电子的能量较少，即使在运动过程中它与原子碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞）。穿过栅极的电子形成的板流IA 将随栅极电压的增加而增大（图中OA 段）。当KG 间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA 将显着减小（图AB 段）。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子碰撞后还留下足够的能量，可以克服反向拒斥电场而达到板极A ，这时电流有开始上升（BC 段）。直到KG 间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时，电子在KG 空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降（CD 段），同理 0nU U GK =（n=1，2，3，……）（3） 凡符合（3）式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK 曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差m m U U -+1应该是汞原子的第一激发电势。 三实验仪器 FH-1A 夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。 四实验内容及步骤 1、正确连接线路，A 、G 、H 、K 连线一一对应，不可混接或短路。 2、将微电流放大器，工作选择置于DC ，工作状态置于R ，栅极电压调到最小，预热5分钟。 3、接通加热炉电源，温度升至180℃时调零（10-5档位）和满度（FULL ）。 4、缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA 的起伏变化，当μA 表满度时相应的改变倍率。

弗兰克赫兹实验报告记录有数据

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图1 弗兰克赫兹实验 作者 luckydog8686 实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采 取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。 一、实验目的 1. 通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。 2. 学习测量微电流的方法。 二、实验原理 （一）原子能级 根据玻尔理论，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。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。然而，原子若与具有一定能量的电子发生碰撞，也可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与原子的碰撞实现这种跃迁的。电子在 加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能2 /2mv ，当2/2n m eU mv E E ==-时，即可实现跃迁。 若原子吸收能量0eU 。从基态跃迁到第一激发态，则称0U 为第一激发电位或中肯电位。 汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个 6s 电子组成的1 0S ，较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构成的11P 单能级和32P ， 31P 和30P 组成的三能级。只有31P 为允许自发跃迁态：3110P S →,发出波长为253.7nm 的紫外光，对应能量为 0 4.9U eV =。32P 和30P 为亚稳态，因3110P S →的跃迁属于禁戒跃迁， 所以通常把3 1P 态称为汞的第一激发态。

弗兰克赫兹实验

Franck-Hertz 实验 根据光谱分析等建立起来的玻尔原子结构模型指出原子的核外电子只能量子化的长存于各稳定能态E n (n ＝1，2，…，)，它只能选择性地吸收外界给予的量子化的能量差值(E n - E k )，从而处于被激发的状态；或电子从激发态选择性地释放量子化的能量E n -E k =h γnk ，回到能量 较低的状态，同时放出频率为h γ nk 的光子。其中h 为普朗克常数。 夫兰克——赫兹实验仪重复了上述电子轰击原子的实验，通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换，使原子从低能级跃迁到高能级，直接观测到原子内部能量发生跃变 时，吸收或发射的能量为某一定值，从而证明了原子能级的存在及波尔理论的正确性。 一、实验要求 1．通过测氩原子第一激发电位，了解Franck 和Hertz 在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。 2．了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。 二、实验仪器 FH —1A Franck-Hertz 实验仪。 三、工作原理 充氩四极Franck-Hertz 实验原理图如图2.1所示 图2.1 Franck-Hertz 实验原理图 电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述： E V M v m MV v m e e ?+'+'=+22222/12/12/12/1 （2.1）

式中： m e ——原子质量； M ——电子质量； v ——电子碰撞前的速度； v’——电子碰撞后的速度； V ——原子碰撞前的速度； V’——原子碰撞后的速度； ΔE ——原子碰撞后内能的变化量。 按照波尔原子能级理论， ΔE=0 弹性碰撞； (2.2) ΔE=E 1-E 0 非弹性碰撞； 式中： E 0 ——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。 电子碰撞前的动能2 2/1v m e < E 1-E 0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE=0 ，原子仍然停留在基态。电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能2 2/1v m e ≥ E 1-E 0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值（E 1-E 0）的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。 Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的。 在充入氩气的F-H 管中（如图2.1所示），阴极K 被灯丝加热发射电子，第一栅极（G1）与阴极K 之间的电压 V G1K 约为1.5V ，其作用是消除空间电荷对阴极K 的影响。当灯丝加热时，热阴极K 发射的电子在阴极K 与第二栅极（G2）之间正电压形成的加速电场作用下被加速而取得越来越大的动能，并与V G2K 空间分布的气体氩原子发生如 (2.1) 式所描述的碰撞而进行能量交换。第二栅极（G2）和A 极之间的电压称为拒斥电压，起作用是使能量损失较大的电子无法达到A 极。 阴极K 发射的电子经第一栅极（G1）选择后部分电子进入G1G2空间，这些电子在 加速下与氩原子发生碰撞。初始阶段, V G2K 较低，电子动能较小，在运动过程中与氩原子作弹性碰撞，不损失能量。碰撞后到达第二栅极（G2）的电子具有动能22/1v m e '，穿过G2后将受到V G2K 形成的减速电场的作用。只有动能 2 2/1v m e '大于eV G2A 的电子才能到达阳极A 形成阳极电流I A ，这样,I A 将随着V G2K 的增加而增大，如图 I A — V G2K 曲线Oa 段所示。 当V G2K 达到氩原子的第一激发电位13.1V 时，电子与氩原子在第二栅极附近产生非弹性碰撞，电子把从加速电场中获得的全部能量传给氩原子，使氩原子从较低能级的基态跃迁到较高能级的第一激发态。而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使他能穿过第二栅极

弗兰克赫兹含思考题

弗兰克赫兹含思考题

西安交通大学实验报告 成绩 第1 页（共9 页）课程：_______近代物理实验_______ 实验日期：年月日 专业班号______组别_______交报告日期：年月日 姓名__Bigger__学号__报告退发：（订正、重做） 同组者__ ________教师审批签字： 实验名称：弗兰克-赫兹实验 一、实验目的 1)通过测氩原子第一激发电位，了解Franck和Hertz在研究原子内部能量量 子化方面所采用的实验方法。 2)了解电子和原子碰撞和能量交换过程的微观图像。 二、实验仪器 FH—1A、Franck-Hertz实验仪、示波器等。 三、实验原理 图1是充氩四极Franck-Hertz实验原理图。

图1 Franck-Hertz 实验原理图 电子与原子的碰撞过程可以用一下方程描述： 22221111 ''2222 e e m v MV m v MV E +=++? (2.1) 式中： m e ——原子质量； M ——电子质量； v ——电子碰撞前的速度； v ’——电子碰撞后的速度； V ——原子碰撞前的速度； V ’——原子碰撞后的速度； ΔE ——原子碰撞后内能的变化量。 按照波尔原子能级理论， ΔE = 0 弹性碰撞； ΔE = E 1 - E 0 非弹性碰撞； 式中： E 0——原子基态能量； E 1——原子第一激发态能量。 电子碰撞前的动能1/2m e v 2 < E 1 - E 0时，电子与原子的碰撞为完全弹性碰撞，ΔE = 0，原子仍然停留在基态。电子只有在加速电场的作用下碰撞前获得的动能1/2m e v 2 ≥ E 1 - E 0，才能在电子产生非弹性碰撞，使得电子获得某一值（E 1 - E 0）的内能从基态跃迁到第一激发态，调整加速电场的强度，电子与原子由弹性碰撞到非弹性碰撞的变化过程将在电流上显现出来。Franck-Hertz 管即是为此目的而专门设计的。 在充入氩气的F-H 管中（如图2所示），阴极K 被灯丝加热发射电子，第一栅极（G1）与阴K 之间的电压V G1K 约为1.5V ，其作用是消除空间电荷对阴极K 的影响。当灯丝加热时，热阴极K 发射的电子在阴极K 与第二栅极（G2）之间正电压形成的加速电场作用下被加速而取得越来越大的动能，并与V G2K 空间分布的气体氩原子发生如(2.1)式所描述的碰撞而进行能量交换。第二栅极（G2）和A 极之间的电压称为拒斥电压，起作用是使能量损失较大的电子无法达到A

弗兰克赫兹实验报告

弗兰克-赫兹实验 一．实验目的 测量F-H 管传统情况下加速电压与板极电流的关系曲线。 二．实验原理 1.激发电势 (1)玻尔的原子理论 原子只能较长地停留在定态，原子在这些状态时，不发射也不吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分割的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态。 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 m E 和n E 分别表示有关两定态的能量，辐射的频率ν决定如下关系： n m E E h -=ν 式中，h 为普朗克常量，为了使原子从低能级向高能级跃迁，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。 （2）设初速度为零的电子在电势差为0U 的加速电场作用下，获得能量 0eU ，当具有这种能量的汞电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量 交换。如以1E 代表汞原子的基态能量，2E 代表汞原子的第一激发态能量，那么当汞原子吸收从电子传递来的能量恰为 021eU E E =- （1） 汞原子就会从基态跃迁到第一激发态，相应的电势差称为汞的第一激发电势。测定出这个电势差0U ，就可以根据公式（1）求出汞原子的基态和第一激发态之间的能量差了。 2.弗兰克-赫兹管 K5BKGP]BYN.png" \* MERGEFORMATINET K5BKGP]BYN.png" \* MERGEFORMATINET

图一： 21G G 短接， 21G G 为等势区，电子由热阴极发出，经加速电压 K G U 2使电 子加速，电子可达到任意位置。如果电子在空间中与汞原子碰撞，把自己一部分能量传给汞原子。从阴极射出来的电子能量不同，从小到大分布，能量大的原子 传递给汞原子能量，先进入激发状态。 图二：加速电压的正极接G 1；图三：加速电压的正极接G 2。这样连接的电路 ,能保证没有热电子打到板极上，只有正离子会从加速电压正极向板极加速运动。此时由于原子电离可以测到板极电流。 三．实验装置 1.弗兰克--赫兹管 弗兰克-赫兹管为实验仪的核心部件，弗兰克-赫兹管采用间热式阴极、双栅极和板极的四极形式，各极均为圆筒状。弗兰克--赫兹管充汞气，玻璃封装。 2.工作电源：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0V ～6.3V 连续可调；第一栅极电压UG1K ，直流0～5V 连续可调；第二栅极电压UG2K ，直流0～100V 连续可调。 3.扫描电源和微电流放大器：提供0～12V 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。 4.微电流测量仪：微电流放大器用来检测F —H 管的板流。 四．实验内容 1.了解弗兰克--赫兹管的结构

弗兰克赫兹实验思考题2

弗兰克赫兹实验思考题 一、解释伏安特性曲线的奇特性。 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 （8-1） 式（8-1）中的h 为普朗克常数，其值为6.6260×10-34J ·s 。 为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定频率ν的光子来实现，也可以通过具有一定能量的电子与原子碰撞（非弹性碰撞）进行能量交换的方法来实现。后者为本实验采用的方法。设初速度为零的电子在电势差为V 的加速电场作用下，获得eV 的能量。在充氩气的夫兰克—赫兹管中，具有一定能量的电子将与氩原子发生碰撞。如果以E 0代表氩原子的基态能量，E 1代表氩原子的 第一激发态的能量，当电子与氩原子相碰撞时传递给氩原子的能量恰好是 eV 0=E 1-E 0 （8-2） 则氩原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电势差V 0称为氩原子的 第一激发电位。其他元素气体原子的第一激发电位也可以按此法测量得到。 1914年，夫兰克和赫兹首次用慢电子轰击汞蒸气中汞原子的实验方法，测定了汞原子的第一激发电位。 2．夫兰克—赫兹实验的物理过程 本仪器采用的充氩四极夫兰克—赫兹管，实验原理如图8-1所示。

弗兰克赫兹实验思考题

1、夫兰克-赫兹实验中，发生什么过程导致U-I 曲线？ 玻尔原子模型理论指出： 1. 原子只能处在一些不连续的稳定状态（定态）中，其中每一定态相应于一定的能量Ei(i=1, 2, 3, …m …n)。 2．当一个原子从某定态Em 跃迁到另一定态En 时，就吸收或辐射一定频率的电磁波，频率的大小决定于两定态之间的能量差En —Em ，并满足以下关系： h ν=En —Em 式中普朗克常数h=6.63×10-34J ·s 。 原子在正常情况下处于基态，当原子吸收电磁波或受到其他有足够能量的粒子碰撞而交换能量时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。从基态跃迁到第一激发态所需要的能量称为临界能量。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，电子碰撞前后能量不变，只改变运动方向。如果电子动能大于临界能量，则发生非弹性碰撞，这时电子可把数值为△E=En —E1的能量交给原子（En 是原子激发态能量，E1是基态能量），其余能量仍由电子保留。 如初始能量为零的电子在电位差为U0的加速电场中运动，则电子可获得的能量为eU0；如果加速电压U0恰好使电子能量eU0等于原子的临界能量，即eU0＝E2—E1，则U0称为第一激发电位，或临界电位。测出这个电位差U0，就可求出原子的基态与第一激发态之间的能量差E 2—E 1。 原子处于激发态是不稳定的。不久就会自动回到基态，并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其频率可由关系式h ν=eU0求得。在玻尔发表原子模型理论的第二年(1914)，夫兰克(James Franck,1882—1964)和赫兹(Gustav Hertz,1887—1975)参照勒纳德创造反向电压法，用慢电子与稀薄气体原子（Hg ；He ）碰撞，经过反复试验，获得了图2的曲线。 实验原理如图3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K G V 1 及与第二栅极G2之间的加速电压K G V 2使电 图3 夫兰克-赫兹原理图 子加速。在板极A 和第二栅极G2之间可设置减速电压A G V 2 ，管内空间电压分布见图4。 图4 夫兰克-赫兹管内空间电位分布原理图 注意：第一栅极G1和阴极K 之间的加速电压K G V 1约1.5伏的电压，用于消除阴极电压散射的影响。 当灯丝加热时，阴极的外层即发射电子，电子在G1和G2间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但在起始阶段，由于电压K G V 2较低，电子的能量较小， 即使在运动过程中，它与原子相碰撞（为弹性碰撞）也只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的电流A I 随

夫兰克--赫兹实验原理

[实验原理] 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地能量。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地能量。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地跃迁。 电子与原子碰撞过程可以用以下方程表示： ； 其中是电子质量，是原子质量，是电子的碰撞前的速度，是原子的碰撞前的速度，是电子的碰撞后速度，是原子的碰撞后速度，为内能项。因为，所以电子的动能可以转变为原子的内能。因为原子的内能是不连续的，所以电子的动能小于原子的第一激发态电位时，原子与电子发生弹性碰撞；当电子的动能大于原子的第一激发态电位时，电子的动能转化为原子的内能， 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，阴极和栅极之间的加速电压使电子

加速，在板极和栅极之间有减速电压。当电子通过栅极进入空间时，如果能量大于，就能到达板极形成电流。电子在空间与氩原子发生了弹性碰撞，电子本身剩余的能量小于，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。实验时使逐渐增加，观察板极电流的变化将得到如图2所示的 曲线。 随着的增加，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时，电子在 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）之间的之差，即为氩原子的第一激发电位。这即证明了氩原子能量状态的不连续性。 [实验内容与步骤] 一、示波器演示 1、分别用线将主机正面板上“输出”和“输出”与示波器上的“”和“”相连，将电源线插在主机后面板的插孔内，打开电源开关； 2、把扫描开关调至“自动”档，扫描速度开关调至“快速”，把电流增益波段开关拨至“”； 3、打开示波器的电源开关，并分别将“”、“”电压调节旋钮调至“”和“”，“”工作方式开关按下，“”全部打到“”； 4、分别调节、、电压至主机上部厂商标定数值，将调节至最大，此时可以在示波器上观察到稳定的氩的曲线； 二、手动测量