实验五 夫兰克-赫兹实验中弱电流的测量 ——集成运算放大器的应用 1914 年夫兰克（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：透过汞蒸汽的电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，间隔为 4.9 eV，并拍摄到与能量 4.9 eV 相对应的波长为 253.7 nm 的光谱线． 该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新的实验事实． 1920 年夫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 年夫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，学习和体验夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子之间相互作用的实验思想和实验方法．同时学习用集成运算放大器测量弱电流． 【实验目的】 1．了解原子能量量子化，测定汞或氩原子的第一激发电势； 2．了解集成运算放大器的基本单元电路原理； 3．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】 1．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 011EEeV−= （1） 式 （1）中，E1为第一激发态 能量（第一激发态 是距 基态 最 近 的一个 能态 ），E0为基态 能量，eV1为该原子第一激发能． 弗兰克-赫兹实验的原理可由 图 1 来 说 明 ，各 电位 分布 如 图 2 所 示 ．电子由 阴 极 发出 经由 电压 VG2K形 成的电场 加 速 而 趋 向 板 极 P，只要 电子能量足 以克服 减 速 电压 VG2P形 成的电场时，就 能穿 过栅 极 G2到达 板 极 形 成电流Ip．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 于第一激发能eV1，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Ip，Ip将 随着 VG2K的增 大而 增 大．但 当 电子...
