夫兰克--赫兹实验中国民航飞行学院物理实验室2009.9背景1913年，丹麦物理学家玻尔（N．Bohr）提出了一个氢原子模型，并指出原子存在能级。该模型在预言氢光谱的观察中取得了显著的成功。根据玻尔的原子理论，原子光谱中的每根谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。N．Bohr（波尔）(1885-1962)背景1914年，夫兰克（J．Frank)和赫兹(G.Hertz）采用慢电子轰击原子的方法，利用两者的非弹性碰撞将原子激发到较高能级。直接证明了原子内部量子化能级的存在，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。因此他们获得了1925年的诺贝尔物理学奖。JAMESFRANCK（夫兰克）(1882-1964)GUSTAVHERTZ（赫兹）(1887-1975)背景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。[目的]1.了解夫兰克-赫兹实验的原理和方法。2.测定氩原子的第一激发电位，验证原子能级的存在。[实验仪器][原理]激发电位夫兰克一赫兹实验原理[激发电位]玻尔理论指出，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，各定态的能量是分立的。原子的能量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。E0（基态）E1（第一激发态）（第二激发态）E2mnhvEE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。设氩原子的基态能量为E0，第一激发态的能量为E1，初速为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量为eU0，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞。（1）当电子能量eU0＜E1-E0时，电子与氩原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氩原子质量小得多，电子能量损失很少。（2）当电子能量eU0>E1-E0时,电子与氩原子会产生非弹性碰撞，氩原子从电子中取得∆E能量而由基态跃迁到第一激发态，eU0=∆E=E1-E0，相应的电位差U0，即为氩原子的第一激发电位。夫兰克--赫兹实验原理夫兰克--赫兹实验电路原理F-H管中充满了氩气阴极K：灯丝加热后，阴极发射出电子板极A：接收电子第一栅极G1，第二栅极G2G1-K：加速电场G2-K：加速电场G2-A：拒斥电场图２Ａr原子的IP-U2特性曲线051015202530354045500102030405060708090U2(V)IP(10-8)IA~UG2K曲线[实验步骤]连接好各组工作电源线，仔细检查，确定无误打开电源，将实验仪预热20～30分钟[实验步骤]按下相应电流量程键，设定电流量程、灯丝电压VF、第一加速电压VG1K、拒斥电压VG2A的值（电流量程可参考机箱盖上提供的数据）。[实验步骤][实验步骤]按下“启动”键和“VG2K”档位键，实验开始。用电压调节键↑↓←→，从0.0V开始，按步长0.5V的电压值调节电压源VG2K，，到82V止。记录下每个VG2K的值和对应的电流值IA【注：为保证实验数据的唯一性，VG2K的值必须从小到大单向调节，不可在过程中反复；记录完成最后一组数据后，立即按“启动键”将VG2K电压快速归零。】VG2K电压归零等候5分钟，重复上述步骤，再次测量测试结束，关闭电源，整理仪器。[实验内容]测绘夫兰克－赫兹管的板流IP与加速电压U2的关系曲线，测定氩原子的第一激发电位U０．按图连接线路。根据实验卡的数据，调节灯丝电压UF、栅极电压U1减速电压U3等参数。手调加速电压U2，记录IP－U2对应的数值，手工描绘出IP－U2相应的特性曲线，由此算得氩原子的第一激发电位。[注意事项]仪器应该检查无误后才接通电源。灯丝电压VF不宜放得过大，一般在2V左右，如电流偏小再适当增加。要防止F-H管击穿（电流急剧增大），如发生击穿应立即调低电压VG2以免损坏F-H管。实验完毕，立即将VG2K电压快速归零[数据处理]用逐差法计算氩原子的第一激发电位。在坐标纸上描绘各组IA-VG2K数据对应曲线。逐差法处理数据%10061.1161.11(V)3)()()(3103625140UUUUUUUU(2)作图法处理数据IA-UG2K特性曲线051015202530354045500102030405060708090UG2K(V)IA(10-8A)
