成都信息工程学院

物理实验报告

姓名：            专业：                 班级：                学号：               

实验日期：         实验教室：           指导教师：                  

                                                                                            

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        夫兰克-赫兹实验

【实验目的】

 1、测量氩原子的第一激发电势，证明原子能级的存在，从而加深对量子化概念的认识。

2、加深对热电子发射的理解，学习将电子与原子碰撞微观过程与宏观物理量相结合的实验设计方法。

【历史背景】

    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。

      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。

   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。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。

【实验原理】

    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：

            ( h为普朗克常数)

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LB-FH型夫兰克-赫兹实验仪

第1章 仪器介绍

LB-FH型夫兰克-赫兹实验仪是用“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高能级，并通过电子和原子碰撞时交换出某一定值的能量，测量氩原子的激发电位，观察其特殊的伏安特性现象。研究原子能级的量子特性，直接证明了玻尔的量子理论。

该仪器可以用点测法实验外还可以用示波器直接观察。使用点测法，实验过程中逐点测量，手绘谱峰曲线，动手动脑，可以增加学生对实验的体验和了解；用示波器直接观察，通过普通示波器动态显示谱峰曲线形成过程，直接观察谱峰曲线，方便、明了。

仪器面板设计新颖，实验控制过程采用图板标识方式，数据尽数显示。适用于演示和教学实验，实验直观、无须切换，特别预留数据采集同步输出，可升级为用计算机进行数据采集和处理的高档夫兰克-赫兹实验仪。

? 工作条件：

环境温度： 0～40℃

相对湿度： ≤85%（40℃）

工作电源： AC 220V±10%，50Hz

输出功率： ≤15W

连续工作时间： 8h

? 技术参数：

1） 充氩夫兰克-赫兹管，不需加热。

2） 分辨率：电压0.1V，微电流10-9A。

3） 动态显示：普通示波器直接观察，直观演示实验过程的动态谱峰。

4） 面板设计新颖：仪器工作采用图板标识，实验数据无须切换，以数字表全部展现。

5） 工作方式广：手动、半自动实验方式齐全，预留升级空间。

6） 夫兰克-赫兹管：

管子 氩管

结构 4级

寿命 ≥3000h

7） 工作电压：

灯丝电压(UH ): DC 0～5 V±1%

一栅电压(UG1K): DC 0～5 V±1%

二栅电压(UG2K): DC 0～120V±1%

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近代物理实验

题目   弗兰克赫兹实验  

            

班级     09物理   

             学号     09072053  

             姓名     张泽民   

指导教师 余云鹏  

弗兰克赫兹实验

实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进。他们采取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，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，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。

一、实验目的

1.       通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能级的存在。

2.       学习测量微电流的方法。

二、实验原理

（一）原子能级

根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。然而，原子若与具有一定能量的电子发生碰撞，也可使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞实现这种跃迁的。电子在加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能，当时，即可实现跃迁。若原子吸收能量。从基态跃迁到第一激发态，则称为第一激发电位或中肯电位。

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夫兰克—赫兹实验

【实验背景】 1913年丹麦物理学家波尔提出波尔原子模型理论，认为有原子能级存在。光谱学的研究证明了原子能级的存在。1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进，他们采取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，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，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，由此两人获得了1925年诺贝尔物理学奖。

【摘要】采取慢电子与稀薄气体原子碰撞的办法，使原子从低能级激发到高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，观察测量到了汞的激发电位和电离电位，证明了原子内部量子化能级的存在独立证明了原子波尔理论的正确性，

【关键词】  原子能级 夫兰克—赫兹实验 激发电位

【正文】

一、实验目的

1.       通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。

2.       学习测量微电流的方法。

二、实验仪器

电脑化X—Y 记录仪，FH—II 型夫兰克—赫兹实验仪

三、基本知识：

1、原子能级

根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称为能级。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。然而，原子若与具有一定能量的电子发生碰撞，也可使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克－赫兹实验正是利用电子与原子的碰撞实现这种跃迁的。电子在加速电压Ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能，当时，即可实现跃迁。若原子吸收能量。从基态跃迁到第一激发态，则称为第一激发电位或中肯电位。

2、波尔原子理论：

  （1）电子在原子中，可以在一些特定的圆轨道上运动而不辐射电磁波，这时原子处于稳定状态（简称定态），并具有一定的能量。

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华东交通大学弗兰克-赫兹试验数据及数据处理

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弗兰克-赫兹实验

【实验目的】

(1) 了解弗兰克-赫兹实验用伏-安证明原子存在能级的原理和方法

(2) 学习用伏-安法测量非线性器件

(3) 学习微电流的测量

【仪器用具】

【实验原理】

(1)     原子的受激辐射

玻尔的氢原理理论指出，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（称为定态）。这些定态的能量（称为能级）是不连续分布的，其中能级最低的状态称为基态。原子在两个定态之间发生跃迁时，要吸收或发射一定的能量，该能量等于两个定态之间的能量差

原子在能级之间的跃迁可以通过有一定能量的电子与原子碰撞交换能量来实现。初速度为零的电子经过电势差加速获得能量，当这些电子与稀薄气体（例如汞）发生碰撞，就会发生能量交换。当电子能量满足

便会使得原子从被激发到，电子能量被吸收。

(2)   弗兰克-赫兹实验

图 1 弗兰克-赫兹装置示意图

图1是弗兰克-赫兹实验装置示意图。图中左侧为弗兰克-赫兹管（F-H管），它是一种密封的玻璃管，其中充有稀薄的原子量较大的汞或惰性气体原子。在这里灯丝用来对阴极加热，使其发射热电子。灯丝电压越高，阴极发射的电子流也就越大。第一栅极的主要作用是消除空间电荷对阴极电子发射的影响。第二栅极的作用是在和之间形成对电子加速的静电场。发射的电子穿过栅极达到极板，形成板流。板流的大小由微电流测试仪进行测量。在板极和之间加有一反向电压，它对电子减速，使经过碰撞后动能非常低的电子折回。

由热阴极发射的电子初速度为零，受加速电场作用，较低时，电子能量小于原子的激发能，电子与汞原子只能发生弹性碰撞。当增大到原子的第一激发电位时，电子与原子间就产生非弹性碰撞，汞原子吸收电子的能量，由基态被激发到第一激发态。电子损失能量后不能穿越拒斥场，引起板流聚减，于是特性曲线上出现第一个峰值。继续增大，电子经第一次非弹性碰撞后的剩余能量足以使其与汞原子产生第二次非弹性碰撞，汞原子再次从电子中取得能量，能量交换的结果使再次下降。

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