富兰克赫兹实验1913年，丹麦物理学家波尔（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。根据波尔的原子理论，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。1914年，德国物理学家富兰克（J.FRANCK）和赫兹（G.HERTZ）对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进，他们同样采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，但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，且可以是原子从低能级激发到高能级。直接证明了原子发生跃变时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证明了原子能级存在，从而证明了波尔理论的正确。因而获得了1925年诺贝尔物理学奖金。富兰克-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，已成为广泛应用的实验技术。［实验目的］1.通过测定氩原子等元素的第一激发电位，证明原子能级的存在。2.了解灯丝电压、拒斥电压等因素对F-H实验曲线的影响。［实验原理］波尔提出的原子理论指出：1.原子只能较长的停留在一些稳定状态（简称为定态）。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，其数值是彼此分离的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一定态跃迁到另一定态。2.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Em和En分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率v决定于如下关系：mhEEn（1－1）式中，普朗克常数h＝6.63×10-34JS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。在正常的情况下原子所处的定态是低能态，称为基态，其能量为E1。当原子以某种形式获得能量时，它可由基态跃迁到较高的能量的定态。称为激发态，激发态能量为E2的称为第一激发态，从基态跃迁到第一激发态所需的能量称为临界能量，数值上等于E2E1。通常在两种情况下可让原子状态改变，一是当原子吸收或发射电磁辐射进，二是用其他粒子碰撞原子而交换能量时。用电子轰击原子实现能量交换最方便，因为电子的能量eU，可通过改变加速电势U来控制。富兰克-赫兹实验就是用这种方法证明原子能级的存在。1如果电子的能量eU很小时，电子和原子只能发生弹性碰撞，几乎不发生能量交换；设初速度为零的电子在电位差为U0的加速电场作用下，获得能量eUo。当具有这种能量的电子与稀薄气体原子（比如十几个乇的氩原子）发生碰撞时，电子与原子发生非弹性碰撞，实现能量交换。如以E1代表氩原子的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原子吸收从电子传递来的能量恰好为eUo＝E2E1（1－2）这时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态。而且相应的电位差称为氩的第一激发电位（或称压得中肯电位）。测定出这个电位差U0，就可以根据（1－2）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了（其他元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。富兰克赫兹实验的原理图如（图一）所示。图一、富兰克赫兹原理图图二、富兰克赫兹管管内空间电位分布在充氩的富兰克-赫兹管中，电子由热阴极出发，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压VG2K使电子加速。在板极A和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压VG2A。管内空间电位分布如（图二）所示。当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（≧eVG2A），就能冲过反向拒斥电场而达板极形成板流，为微电流计表检出。如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己一部分能量传给氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以致通过第二栅极后已不足于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计表的电流将显著减小。实验时，使VG2K电压逐渐增加并仔细观察电流计的电流指示，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间存在确定的能量差的话，就能观察到如（图三）所示的IA～VG2K曲线。（图三）所示的曲线反映了氩原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。当KG2空间电压逐渐增加时，2电...
