夫兰克赫兹实验

1、讲义阅后请放在实验台上，不要带走！夫兰克赫兹实验【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位，验证原子能级的存在；2. 学习原子激发的基本过程，加深对原子能级结构的理解；3. 加深对电子与原子间碰撞的微观过程和实验宏观现象的相互关系的理解；4. 体会设计新实验的物理构思和设计技巧【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，

2、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夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术根据玻尔理论，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

3、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和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的电场作用下获得能量，如果 ，图1 夫兰克一赫兹实验原理图（三极）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之间的加速电压使电子加速，在板极P和栅极G之间有减速电压当电子通过栅极G进入GP空间时，如果能量大于，就能到达板极形成电流电子在KG2空间与氩原子发生非弹性碰撞，

4、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3所示的曲线IPVG2图3 曲线图2 夫兰克一赫兹实验原理图（四极）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就证明了氩

5、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G1为控制栅极，其作用是加一个正向电压，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的大小一般取在1-2伏【实验装置】 FD-FH-型夫兰克赫兹实验仪、示波器图4 实验装置图5 FD-FH-型夫兰克赫兹实验仪正面板示意图（1） 电流显示 注：表头示值乘以(2)指示挡后即为电流实际测量值；（2） 电流增益波段开关：分为、四档；（3） 电压显示 注：与（8）相关，可以分别显示、值，其中的实际测量值为表头数示值“”；（4）电压调节旋钮；（5） 电压调节旋钮；（6） 电压调节旋钮；（7） 电压调

6、节旋钮；（8） 电压值示波段开关：与（3）相关，旋转指示、电压数值；（9） 输出端口：接示波器；（10）扫描速度开关：达“快速”时可以在示波器上观察稳定的曲线图样；（11）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）输出端口：接示波器；（13） 电源开关【实验内容及步骤】1用示波器观察曲线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；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“”；打开示波器的电源开关，并分别将“”、“”电压调节旋钮调至“”和“”，调至“

7、”档，“交直流”全部打到“”档；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2手动测量曲线将扫描开关拨至“手动”档，调节至最小，然后逐渐增大其值，寻找值的极大和极小值点，以及相应的值，即找出对应的极值点（，），也即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，然后描画氩的关系曲线图注：记录数据时，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“”，电流增益波段开关选择“”，那么实际测量电流值应该为“”；而实际测量值应该为：表头示值，如，表头显示“”，那么实际电压值应为“”3

8、改变灯丝电压（调整建议控制在标牌参数的0.3V范围内）、第一阳极或拒斥电压，重复进行实验，观察实验曲线的变化，分析原因【数据处理】表一 = ，= ，= N1234561）在坐标纸上作曲线；2）记录峰值对应的值，填入下表格：峰i123456根据式子，计算氩原子的第一激发电位，并与其公认值11.8V进行比较【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调节和时注意，和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，所以一旦发现出现负值或者正值超过，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曲线形成的物理过程是什么？为什么曲线峰值越来越高？2曲线中的第一个峰值