夫兰克—赫兹实验

Cardiff frank - hz experiment

作者姓名：石业骏（学号090102237）

Author's name：Shi Ye Jun （Registration number:090102237） 摘要：本实验从基本实验入手，测量了第一激发态电位，然后进一步分析不同条件下I-U的曲线图形变化，测量电离电位。讨论其图形呈现橄榄状的原因。 Summary: This experiment from basic experiment of measuring the first, and then further analysis time-evolution-operator potential under various conditions Ug1g2 curve Ia - graphics changes, measuring ionization potential. Discuss the graphics present olive shape reasons.

关键词:激发 夫兰克—赫兹试验仪

Key words : Stimulate Cardiff frank - hz tester

引言：

19xx年夫兰克（F.Frank）和他的助手赫兹（G.Hertz）在研究气体放电现象中电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子能量呈现周期性变化，间隔为4.9eV，并拍摄到与能量4.9eV相对应的光谱线253.7nm，即采用慢电子与稀薄气体中原子碰撞的方法，简单而巧妙地直接验证了原子能级的存在，证实了原子内部能量是量子化的，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。由于此项工作卓越的成就，19xx年夫兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。

19xx年是量子论的诞生之年，它标志着物理学由经典物理迈向近代物理。量子论的基本观念是能量的不连续性，即能量是量子化的。夫兰克—赫兹实验充分证明了原子内部能量是量子化的。通过这一实验可以了解到原子内部能量量子化的情况，学习和体验夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的实验思想和方法。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。

Preface:

In1914 F.F Cardiff frank (rank) and his assistant Hertz (ertz) in the study G.H gas discharge in electronics and phenomenon of interaction of atoms, mercury in filling of discharge tube found: through mercury steam stream with electronic energy present cyclical change, the interval to

4.9 eV, and photographed and energy 4.9 eV corresponding spectra of 253.7 nm, i.e. use a slow electronics and rarefied gas in the atomic collision method, simple and direct ably proved the existence of the atomic energy level, and confirm the atom internal energy is quantization, thus provide neils Bohr atom theory provides powerful evidence. Since the work

outstanding achievement, 1925 frank and Hertz Cardiff common won the Nobel Prize for physics.

In 1900 is the birth of the quantum years, it marks the physics by classical physics towards modern physics. The basic ideas of quantum theory is energy of discontinuity, namely the energy is quantization. Cardiff frank - hz experiment fully demonstrated atomic internal energy is quantizing. Through this experiment can learn atomic internal energy of quantizing circumstance, study and experience frank and captains of gas discharge phenomenon in Hertz research low-energy electron and interaction of atoms thoughts and methods of the experiment. Cardiff frank - hz experiment is to explore the atoms are still one of the principal means of internal structure.

【实验目的】

1．通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。了解夫兰克—赫兹是用什么方法直接证明了原子内部量子化能级的存在。

2．分析灯丝电压、拒斥电压等因素对F-H实验曲线的影响。

3．分析温度、灯丝电流等对夫兰克—赫兹实验的影响。

【实验仪器】

WS-FH-2型智能夫兰克-赫兹试验仪

【实验原理】

根据玻尔理论，原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子，当原子与一定能量的电子发生碰撞，可以使原子从低能级跃迁到高能级（激发）。如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有：

1eV1?mev2?E1?E0 2

电子在电场中获得的动能在和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态，V1称为原子第一激发电势（位）。

进行F-H实验通常使用的碰撞管是充汞的，充汞管需要配加热炉用于改变汞的蒸气压。除用充汞的外，还常用充惰性气体的，如充氖，氩等的碰撞管。而这些碰撞管，温度对于气压影响不大，并且只需在常温下就可以进行实验。其中VP为灯丝加热电压，VG1为正向小电压，VG2为加速电压,VP为减速电压。

电子由阴极发出，经电场VG2加速趋向阳极，只要电子能量达到能克服VP减速电场就能穿过栅极G2到达板极P形成电流IP，由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原子发生碰撞。如果电子能量小于第一激发能eV1，它们之间的碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒原理不难推得电子损失的能量极小，电子能如期的到达阳极。如果加速到G2栅极的电子获得等于或大于eV1的能量，电子与原子将发生非弹性碰撞，电子把能量eV1传给气体原子，要是非弹性碰撞发生在G2附近，损失了能量的电子将无法克服减速场VP到达极板。这样，从阴极发出的电子随着VG2从零开始增加，极板上将有电流出现并增加，如果电子能量小于第一激发能eV1，将出现非弹性碰撞而出现IP的第一次下降，随着VG2的增加，电子与原子发生非弹性碰撞的区域向阴极移动，经碰撞损失能量的电子在趋向阳极的途中又得到加速，又开始有足够的能量克服VP减速电压而到达阳极P，IP随着VG2增机又开始增加，而如果VG2的增加使那些经历过非弹性碰撞的电子能量又达到eV1则电子又将与原子发生非弹性碰撞造成IP的又一次下降。在VG2较高的情况下，电子在趋向阳极的路途中会与电子发生多次非弹性碰撞。每当VG2造成的最后一次非弹性碰撞区落在G2栅极附近就会使IP~VG2曲线出现下降，IP随VG2变大出现如此反复下跌将出现如附录中测量所示的曲线。曲线的极大和极小出现明显的规律性，它是能级量子化能量反复被吸收的结果，也是原子能级量子化的充分体现。就其规律来说，每相邻极大或极小值之间的电位差为第一激发电势（电位）。

【实验内容与步骤】

①开机预热。开机后，实验仪器板状态应有如下显示：

实验仪的“10uA”电流档位指示灯亮，此时电流量程为10uA；电流显示值00.00；试验仪“灯丝电压”档位指示灯亮，表明此时修改的电压为灯丝电压；电压显示值为000.0V；最后一位闪动，表明现在的修改为最后一位；“手动”绿指示灯亮，表明此时实验操作方式为手动操作。

②设定各电压值。每个夫兰克—赫兹 实验管都有灯丝电压VG1k VF VG2A需要设定。这些电压的建议值，标注在仪器上盖板上。可以调节。

③设定电流量程。用区<4>选择键设定适的电流量程（10 uA 或100 uA） ④设定工作状态为“手动”状态，此时绿灯亮。

⑤测量与记录数据。改变VG2A值，夫兰克—赫兹管的板极电流会随之改变，分别将他们记下来。扫描电压最高可达100V，但使用时，不要超过80V

⑥数据记完，作图和处理

⑦用示波器显示输出。

⑧改变参数重新测量。改变温度、灯丝电压，重新测量，就可以研究这些参量对该试验的影响。

【注意事项】

1．灯丝电压VF不宜放得过大，一般在2V左右，如电流偏小再适当增加。

2．不同的实验条件，VG2有不同的击穿值，要防止F-H管击穿（电流急剧增大），如发生击穿应立即调低VG2 以免F-H管受损。

【结 论 】

此实验事实可以用来证实玻尔的原子理论。通过实验,可以了解夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子间相互作用的实验思想和方法,了解电子与原子碰撞的微观过程是怎样与实验中的宏观量相联系,并可用于研究原子内部的能量状态与能量交换的微观过程.如今已经有了许多方法对影响实验的因素进行改进，我们在学习实验过程中要多多思考将可能的解决实验误差的原因进行解决达到物理学研究的重要意义！

【参考文献】

姚安居，郭宏志等.大学物理实验教程。北京兵器工业出版社，1996

李斌，赵维义等夫兰克—赫兹实验理论分析[J].佛山科学技术学院报2003，21（3）：12-19 谢行恕，康士秀，霍剑青.大学物理实验（第二册）.北京：高等教育出版社出版，2001 姚安居，吴庆州.大学物理实验.中国矿业大学出版社，2009.2

林木欣，近代物理学实验教程[M].北京科学出版社1999，34-35

第二篇：夫兰克-赫兹实验(1)

夫兰克─赫兹（F—H）实验

一、实验内容：

测定氩元素的第一激发电位，证明原子能级是量子化的。

二、实验仪器：

     夫兰克－赫兹实验仪器

三、实验原理：

设和分别为原子的第一激发态和基态能量。初动能为零的电子在电位差的电场作用下获得能量，如果

                         

那么当电子与原子发生碰撞时，原子将从电子攫取能量而从基态跃迁到第一激发态。相应的电位差就称为原子的第一激发电位。

         

图1 夫兰克-赫兹实验装置       

夫兰克-赫兹实验仪器如图1所示。在玻璃器中充入要测量气体（本实验充氩气）。电子由热阴极K发出。在K与栅极G₂之间加电场使电子加速。在G₂与接收极A之间有一反电压。当电子通过KG₂空间，进入G₂A空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反电场而达到电极A，成为通过电流计的电流。如果电子在KG空间与原子碰撞，把自己一部分的能量给了原子，使后者被激发。电子剩余的能量就可能很小，以致过栅极G₂后已不足以克服反电势，那就达不到A，因而也不流过电流计。如果发生这样情况的电子很多，电流计中的电流就要显著地降低。为了消除空间电荷对阴极电子发射的影响，在阴极附近再增加一栅极G₁，构成四极管。

把KG₂间的电压逐渐增加，观察电流计的电流。这样就得到A极电流Ip随KG间电压的变化情况，如图2所示。

电子在加速运动过程中，必然要与氩原子发生碰撞。如果碰撞前电子的能量小于原子的第一激发电位U₀（对氩原子U₀=11.8伏），那么他们之间的碰撞是弹性的。（这类碰撞过程中电子能量损失是很小的，约10^-5倍）。然而如果电子的能量U达到U₀（实验中U>U₀），那么电子与原子之间将发生非弹性碰撞。在碰撞过程中，电子的能量传递给氩原子。假设这种碰撞发生在栅极附近，那些因碰撞而损失了能量的电子在穿过栅极之后将无力克服减速电压U_G2A而到不了A极板，因此这时板流Ip是很小的。

随着U_G2K的增加，电子与原子的非弹性碰撞区域将向阴极方向移动。经碰撞而损失能量的电子在奔向栅极的剩余路程上又得到加速，以致在穿过栅极之后有足够的能量来克服减速电压U_G2A而达到板极A。此时，板流Ip又将随U_G2K增加而升高。若U_G2K的增加使电子在到达栅极前其能量又达到，则电子与氩原子将再次发生非弹性碰撞，即Ip又一次下降。在U_G2K 较高的情况下，电子在向栅极飞奔的路程上，将与氩原子多次发生非弹性碰撞。每当U_G2K=（n=1，2，…），就发生这种碰撞。（在实验中，可看出，由于仪器的接触电势的存在，每次Ip达到极小值时，所对应的U_G2K并不是落在外加电压处。）即在Ip~U_G2K曲线上出现Ip的多次下降。对于氩，Ip的每两个相邻峰值的U_G2K差值（即为第一激发电位）均约为11.8伏，即氩的第一激发电位为11.8伏。

四、实验步骤：

1．插上电源，拨动电源开关，指示灯亮。

2．将“手动—自动”切换开关选择“手动”档， “灯丝电压”、“U_G1K”、“U_G2A”按仪器提供参数进行设置。

3.“微电流倍程”开关置于1档。

4．预热10分钟。

5.按“启动”开始测量。

按下“”键，再按调整按键区的增加按键逐步增加，用示波器观察I_p—曲线并且记录和对应的I_p的起伏变化 。

U_G2K从0.0V开始增加，步长0.5V，一直加到80V左右，出现6个峰为止。

五、数据记录和数据处理：

U_f =                 U_G1K=                U_G2A=            

数据处理要求：1）在坐标纸上作Ip—U_G2K曲线

                2）记录峰值对应的U_G2K值U_i，填入下表格：

根据式子计算氩（A_r）原子的第一激发电位U_Ar，并与其公认值11.8V进行比较。

六、注意事项：

1、实验中（“手动”模式）电压加到75.0V以后，要注意电流输出指示，当电流表指示突然骤增，应缓慢增加电压，并且注意观察示波器的波形显示，等到第6个峰一旦出现下滑立即停止增加电压，以免管子击穿损坏。

2、可在不同的灯丝电压下重复实验。如发现波形上端切顶，则阳极输出电流过大，引起放大器失真，应减小灯丝电压。灯丝电压太大太小都不好，太小了参加碰撞的电子数少，反映不出非弹性碰撞的能量传递，造成Ip—曲线峰谷很弱，甚至得不到峰谷；反之则易使微电流放大器饱和，引起Ip—曲线的阻塞。

3、如果Ip—曲线峰谷差值小，可以适当调节（拒斥电压），因为偏大或偏小，峰谷差都小。偏小时，起不到对非弹性碰撞后失去能量的电子进行筛选作用，峰谷差小；偏大时，许多电子又因能量小而不能到达极板形成板流Ip,所以峰谷差仍然小。

七、思考题：

1) 灯丝电压的大小对Ip—U_G2K曲线有何影响？

  提示：参看注意事项2

2）拒斥电压U_G2A对如何影响？

提示：参看 注意事项3

3）为什么I_p—U_G2K呈周期性的变化？

  提示：在U_G2K 较高的情况下，电子在向栅极飞奔的路程上，将与氩原子多次发生非弹性碰撞。每当U_G2K=nU₀（n=1，2，…），就发生这种碰撞。

4) 为什么I_p—U_G2K曲线峰值越来越高？

  提示：这是因为电子与氩原子碰撞有一定概率。一部分电子与氩原子发生非弹性碰撞损失能量后，不能克服反向拒斥电压到达极板从而造成板流下降，而另一部分电子则因“逃避”了碰撞，能够到达极板而形成板流，又因电子能量越大，碰撞概率越小，能够到达极板而形成板流的概率也越大，因此，“谷”的极小值随着加速压（U_G2K）增大而增大。