弗兰克- 赫兹实验 主讲教师： 陶灵平.

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1 弗兰克- 赫兹实验 主讲教师： 陶灵平

2 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，开创了原子结构研究的先河并为建立现代原子核理论打下了基础。 α粒子散射模型

3 历史背景及意义 1913年，玻尔运用原子有核模型，提出了玻尔理论的两个基本假设：原子定态能级和能级跃迁概念。该理论提出的与经典理论相违背的两个重要概念对二十世纪物理学的发展影响深远。其本人是哥本哈根学派创始人并于1922年获得诺贝尔物理学奖。 尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（Niels Henrik David Bohr， ～ ) 丹麦物理学家，哥本哈根学派创始人 紧接着英国物理学家埃万斯通过对光谱的研究发现了原子光谱的分立性，从而确立了玻尔理论，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。

4 历史背景及意义 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 弗兰克 G.赫兹
1914年，德国科学家弗兰克和他的助手赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作了改进，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。首次用实验证实了玻尔氢原子理论中原子定态能级的存在，夫兰克（J.Frank, ）和赫兹（G.Hertz, ）因为这一杰出的实验获得1925年的诺贝尔物理学奖。 弗兰克 G.赫兹 (James Franck , ) (Gustav Hertz , )

5 目 录 实验目的 实验原理及仪器 实验内容 数据处理 思 考 题 注意事项

6 实验目的 1、测量氩原子第一激发电位； 2、证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；
3、学习弗兰克-赫兹为解释原子量子化能级所做的巧妙构思和采用的方法。

7 实验原理及仪器 玻尔原子理论的两个基本假设：
电离 ∞ En Em E1第一激发态 E0基态 hv=En-Em (1)定态假设。原子只能处在一些稳定的状态中，其中每一状态对应一定的能量值Ej ( j = 1，2，3.。。。 )。这些数值是彼此分立的，不连续的。 (2)频率定则。当原子从一个稳定状态过度到另一个稳定状态时，就吸收或放出一定的能量。

8 实验原理及仪器 通常在以下两种情况，原子的状态会发生改变： （1）原子本身吸收或放出电磁辐射； （2）原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。 弗兰克-赫兹实验正是利用具有一定能量的电子与氩原子发生碰撞而产生能量交换，实现氩原子状态的改变。

9 实验原理及仪器 由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，所需能量不能小于该原子从基态跃迁到第一激发态时所需的能量，这个能量称为临界能量。当电子与氩原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞（电子不损失能量）；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞（电子把数值为△E01= E1–E0 的能量交给氩原子，只保留余下的部分）。

10 实验原理及仪器 A

11 实验原理及仪器 弗兰克-赫兹管的工作原理

12 实验原理及仪器 弗兰克-赫兹实验伏安特性曲线图

13 实验原理及仪器 1 区是夫兰克-赫兹管各电极连接插孔和板极电流输出插孔； 2 区是夫兰克-赫兹管所需激励电压连接插孔；
3 区是板极电流数码显示；电流量程档位选择；工作方式选择； 4 区是各电极间电压数码显示；显示电压选择(四个)；所显示电压的调节；

14 实验内容 1、手动法测氩原子第一激发电位 2、自动法测氩原子第一激发电位

15 手动法 1、启动预热 预热开始前先设定好以下几个值：电流 量程IA、VF、VG1、VP，根据仪器给定参数设定。预热时间为15-30分钟。

16 手动法 2、调节电压和记录数据

17 自动法 1、调节出稳定波形 将主机扫描开关调至自动挡，扫描速度调至快速。用Q9线将主机
后板上的IA输出与示波器上的CH2相连；调节示波器使其工作于Y-T状态。将VG2调至最大，可以观察到稳定的左右对称波形。

18 自动法

19 自动法

20 自动法 2、调节电压和记录数据 下调电压VG2，注意观察对称波形的变化。当两个对称的波峰完全重合时，把开关打到手动，记录此时的电压VG2，即是电压峰值。

21 实验数据和处理 一、 手动法测定氩原子第一激发电位

22 实验数据和处理 整理原始数据（峰、谷处多保留几个实验点）用整理后的数据在坐标纸上描绘出Ip-VG2的关系曲线。

23 实验数据和处理 从前面表格中找到六个IP处于波峰值时对应的电压VG2值。 用逐差法求 第一激发电势 相对误差

24 实验数据和处理 二、自动法测定氩原子第一激发电位 用逐差法求 第一激发电势 相对误差

25 思考题 1、弗兰克-赫兹实验中第一峰值对应的电压是否等 于第一激发电位？为什么？ 2、为什么随着电压的升高，电流峰值会逐渐升高?

26 注意事项 1.不允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。
2.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。 3.VG2值不能超过82V，并且在VG2值接近80V时不要停留时间过久，否则会影响夫兰克-赫兹管的使用寿命。 4.实验完毕，立即将VG2快速归零，关闭电源，拆除导线。