实验32夫兰克-赫兹实验近代物理的标志是量子理论的建立,而量子理论的实验基础是原子光谱和各类碰撞研究。1913年,丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)在卢瑟福原子核模型的基础上,结合普朗克的量子理论,成功地用原子结构理论解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论。1914年夫兰克(J.Frank)和赫兹(G.Hertz)用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法,使原子从低能级激发到较高能级,通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量,直接证明了原子内部量子化能级的存在。同时,也证明了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。由于此项卓越的成就,他俩获得了1925年的诺贝尔物理学奖。【实验目的】(l)通过测定氢原子的第一激发电位,证明原子能级的存在。(2)分析温度、灯丝电流等因素对夫兰克-赫兹(F-H)实验曲线的影响。【实验原理】根据玻尔提出的原子理论,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迁到第一激发态时所需要的能量。为使原子从低能级En向高能级Em跃迁,可以通过吸收一定频率ν的光子来实现,其光子的能量由下式决定:hv=Em-En（1）也可能通过与具有一定能量的电子碰撞来实现,若与之碰撞的电子是在电位差V的加速下,速度从0增加到v并将全部能量交换给原子,则有（2）由于Em-En有确定的值,对应的V就应该有确定的大小。当原子吸收电子的能量从基态跃迁到第一激发态时,相应的V称为第一激发电位。夫兰克-赫兹实验原理如图1所示。实验中原子与电子碰撞是在弗兰克-赫兹(F-H)管内进行的。一般的夫兰克一赫兹管是在圆柱状玻璃管壳中沿径向或轴向依次安装加热灯丝、阴极K、网状栅极G及板极A,有的在阴极K和栅极G之间还安装有第一阳极G1。将管内抽取至高真空后,充入高纯氩或其他元素。管内充以不同的元素的气体就可以测出相应元素的激发电势。设氩原子的基态能量为E1,第一激发态的能量为E2,初速为零的电子在电位差为V0的加速电场作用下,获得的能量为eV0,具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞。当电子能量eV0
