山东大学：空间科学与技术教学资源（实验课件）夫兰克-赫兹实验

夫兰克-赫兹实验理论基础历史背景及意义G实验装置实验原理注意事项G实验内容及操作步骤数据处理思考与讨论

夫兰克-赫兹实验 理论基础 实验内容及操作步骤 数据处理 思考与讨论 注意事项 历史背景及意义 实验装置 实验原理

历史背景及意义1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核模型1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯（E.J.Evans）对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在1914年德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法（与光谱研究相独立），简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，并实现了对原子的可控激发，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据

历史背景及意义 1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核模型。 1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立 了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃 迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电 磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满 足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯（E.J.Evans） 对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都 必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在1914年， 德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用慢电子与稀薄气体中原 子碰撞的方法(与光谱研究相独立)，简单而巧妙地直接证实了 原子能级的存在，并且实现了对原子的可控激发，从而为玻尔 原子理论提供了有力的证据

1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。夫兰克赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。(GUSTAVHERTZ(JAMESFRANCK)

1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的 诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。夫兰克- 赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所 以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。 (JAMES FRANCK) (GUSTAV HERTZ)

理论基础根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3.这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态其它高能级所对应的态称为激发态。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率选择定则：hv= E，一E㎡(h为普朗克常数)本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则：eV=E.-E（V为激发电位）

理论基础 根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定 状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3‥)， 这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其 它高能级所对应的态称为激发态。 当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收 或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态 能级间的能量差，并满足普朗克频率选择定则： hv = En − Em (h为普朗克常数) 本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满 足能量选择定则： En Em eV = − (Ｖ为激发电位)

实验装置氩管夫兰克一赫兹管特点：采用充氩夫兰克-赫兹管，比以前使用充汞管方式有了重大改夫兰克一赫兹实验进，去掉了较为落后的灯管加热炉装置，即便于操作，又避免了由于-夜智能美丝克-新实独仪00700003温度控制不精确而对实验造成的误差、以及汞蒸气对人体及环境的污染

实验装置 氩管夫兰克—赫兹管 特点：采用充氩夫兰克 -赫兹管，比以前使用 充汞管方式有了重大改 进，去掉了较为落后的 灯管加热炉装置，即便 于操作，又避免了由于 温度控制不精确而对实 验造成的误差、以及汞 蒸气对人体及环境的污 染

实验原理灯丝K充氩夫兰克-赫兹管的基本结构见右图。电子由阴极K发出，阴极K和第一栅极G1之间G电子的加速电压VG1K及与第二栅极G2之间的加速电压VG2K使原子电子加速。在板极A和第二栅G2A极G2之间可设置减速电压VG2A.夫兰克一赫兹管结构图注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏的电压，用于消除阴极电子散射的影响

实验原理 充氩夫兰克-赫兹管的基本 结构见右图。电子由阴极K发 出，阴极K和第一栅极G1之间 的加速电压VG1K及与第二栅 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之间可设置减速电压 VG2A。 μA V VG1K K VG2K G1 VG2A G2 电子 氩原子 A 灯丝 夫兰克—赫兹管结构图 注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏的电压，用 于消除阴极电子散射的影响

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V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量eV<E1-Eo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。如果eV≥E1-Eo=△E，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞，氩原子从电子中取得能量△E，而由基态跃迁到第一激发态，△E=eVc。相应的电位差Vc即为氩原子的第一激发电位。在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下图所示的变化曲线(nA)VVsV6图2-2-4夫兰克一赫兹管的IVG2k曲线

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V的加速电场作用下，获得能量为eV，具有这种能量的电子 与氩原子发生碰撞，当电子能量eV<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。如果 eV≥E1-E0=ΔE，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞，氩原子从电子中取 得能量ΔE，而由基态跃迁到第一激发态，ΔE=eVC。相应的电位差VC即 为氖原子的第一激发电位。 在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下图所 示的变化曲线. 图2-2-4 夫兰克—赫兹管的IA～VG2K曲线 o IA a c b d e V1 V2 V3 V4 V5 V6 (nA) VG2K o

实验内容及操作步骤实验内容用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一激发电位，并做比较百分析灯丝电压拒电压的改变对F一H实验曲线的影响。数据处理的方法了解计算机数据采集操作步骤正确认识电路连接及原理启动预热；（注：预热开始，就必须设定好以下几个值：FV灯、VG1K、VG2A，根据仪器给定参数设定，VG2K=3Ov）G正式测量；手动测试：联机测试

实验内容及操作步骤 实验内容 用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一激发 电位，并做比较。 分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F—H实验曲线的影响。 了解计算机数据采集、数据处理的方法。 操作步骤 正确认识电路连接及原理； 启动预热；（注：预热开始，就必须设定好以下几个值： V灯、VG1K、VG2A，根据仪器给定参数设定，VG2K=30v） 正式测量；手动测试；联机测试

注意事项官不许拨下仪器前面板上的导线，进行违规连接以免发生短路，损坏仪器。在设定各电压值时，必须在给定的量程或范围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏仪器或不能准确显示

不许拔下仪器前面板上的导线，进行违规连接， 以免发生短路，损坏仪器。 在设定各电压值时，必须在给定的量程或范围之 内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏仪器或不 能准确显示。 注意事项

数据处理根据手调“栅压调节”做出的IA-----VG2K曲线和计算机显示所显示的曲线，求出各峰所对应的电压值，用逐差法求出氩原子第一激发电位，并与公认值Vc0=11.5V伏比较，求出测量误差V。=[(V2 -V)+(V3 -V) / 2 +nVc一CoX100E/100Vco

数据处理 n n V V V V V V V n c [( ) ( )/ 2 ]/ 1 1 2 1 3 1 − = − + − + + 100 100 0 0  − = C C C V V V E 根据手调“栅压调节”做出的IA-VG2K曲线和计算机显 示所显示的曲线，求出各峰所对应的电压值，用逐差法求出 氩原子第一激发电位，并与公认值VC0=11.5V伏比较，求出 测量误差