石河子大学：《综合物理实验》课程PPT教学课件（近代物理实验）弗兰克－赫兹实验

夫兰克-赫兹实验 石河子大学物理系近代物理实验课程组 2014-2015第一学期

夫兰克-赫兹实验 石河子大学物理系近代物理实验课程组 2014-2015第一学期

历史背景及意义 1911年，卢瑟福根据o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

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。 (JAMES FRANCK) (GUSTAV HERTZ)

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)

原子内部能量量子化证据： (①)原子光谱分立性； (2)夫兰克-赫兹实验 一.第一激发电势的测定 1.实验目的：验证原子能量的量子化。 2.实验原理（结合装置介绍)： GA K:热阴极，发射电子 Hg KG区：电子加速，与Hg原 子碰撞 0.5V GA区：电子减速，能量大 于0.5eV的电子可克服反向 夫兰克-赫兹实验装置 偏压，产生电流

1.实验目的：验证原子能量的量子化。 2.实验原理（结合装置介绍）： 一. 第一激发电势的测定 原子内部能量量子化证据: (1) 原子光谱分立性; (2) 夫兰克-赫兹实验 K G A K：热阴极，发射电子 KG区：电子加速，与Hg原 子碰撞 GA区：电子减速，能量大 于0.5 eV的电子可克服反向 偏压，产生电流 V A 0.5 V Hg 夫兰克-赫兹实验装置

夫兰克赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是季电子由 阴级家发出，K与栅极G之间有加速电场，G与接收极A之间有减速电场。，当 电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场 就成为电流计的电流。 0.5 13 300 200 100 10 15 演

夫兰克-赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞。电子由 阴级K发出，K与栅极G之间有加速电场，G与接收极A之间有减速电场。当 电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场， 就成为电流计的电流

3.实验结果 13.9V 理论解释 9.0V E。<4.9eV弹性碰撞，电子几乎不损 失能量 4.1V E。≥4.9eV非弹性碰撞，电子损失能 量，激发Hg原子 U=n.4.9Vn=1,2,3,. 4.9V 电子经过n次加速和非弹性碰撞， 能量全部损失，电流最小。 E 4.9eV 1eV=1.60×10-19库仑×1伏特 =1.60×1019焦耳 E

3. 实验结果 I U 4.9 V e E  4.9 eV 非弹性碰撞，电子损失能 量，激发Hg原子 e E  4.9 eV 弹性碰撞，电子几乎不损 失能量 U n n =  = 4.9 V 1, 2, 3, 电子经过 次加速和非弹性碰撞， 能量全部损失，电流最小。 n 4.1V 9.0V 13.9V 焦耳 库仑 伏特 19 19 1.60 10 1 1.60 10 1 − − =  eV =   理论解释： 4.9 eV E1 E2

4.结果讨论 原子从态到第一激发态 激发电势为4.9V,则 第一激发能(Excited Energy)为 △E=E2-E=4.9eV 若原子从第一激发态跃迁到基态，放出能量，则 hc hv= =△E 元 M-hv = he 1.24AKev =2530A △E 4.9eV 实验=2537A 实验与理论符合非常好

4. 结果讨论 汞原子从基态到第一激发态的激发电势为4.9V，则 E = E2 − E1 = 4.9eV 第一激发能 (Excited Energy) 为 若原子从第一激发态跃迁到基态，放出能量，则 E hc h = =    2530A 4.9 1.24A   = =  = eV KeV E hc  ＝2537A   实验 h E2 E1 实验与理论符合非常好

GA 二.较高激发电势的测定 Hg 1.实验装置及实验原理 1920年，Francki改进实验装置 0.5V KG G2A K:旁热式热阴极，均匀发 Hg 射电子，提高能量测量精度 KG区：电子加速 0.5V G1G2区：电子与原子碰撞 G2A区：电子减速 夫兰克-赫兹实验装置 1924年，Her☑侧得4,9ey以上的高微发能 2.实验结果（见P45,图2.12)

二. 较高激发电势的测定 K G1 G2 A V A 0.5 V Hg K：旁热式热阴极，均匀发 射电子，提高能量测量精度 KG1区：电子加速 G1G2区：电子与原子碰撞 G2A区：电子减速 1920年, Hertz测得4.9 eV以上的高激发能 Franck改进实验装置 1924年， 1. 实验装置及实验原理 2. 实验结果 （见P45, 图2.12） 夫兰克-赫兹实验装置 K G A V A 0.5 V Hg

夫兰克一赫兹实验的改进 由于原来实验装置的缺陷，难以产生高能量的电子，夫兰克对装置进行 了改进。把加速和碰撞分在两个区域进行，如下图所示： 1.在阴极前加一极板，以达到旁热式加热，使电子均匀发射，电子的能量 可以测的更准； 2.阴极K附近加一个栅极G1,并使 管内气体更加稀薄，使电子在G 区域只加速，不碰撞 3.使栅极G1、G2电势相同，即 GG区战为等势区，在这个区域内 电子只发生碰撞

三.电离电势的测定 电离：如果给原子足够大的能量，可以使原子中的电子离 去，叫电离。 电离电势：从中性的原子把一个电子电离出去需要的电压。 1.实验装置及原理 K,K1:发射电子的热阴极 G:圆柱形金属网： A:圆柱形阳极，G,A同电位。 G1:金属网

三. 电离电势的测定 电离：如果给原子足够大的能量，可以使原子中的电子离 去，叫电离。 电离电势：从中性的原子把一个电子电离出去需要的电压。 1.实验装置及原理 K G1 V A G K1 A K，K1：发射电子的热阴极 G：圆柱形金属网； A：圆柱形阳极，G，A同电位。 G1 : 金属网