夫兰克 -赫兹实验1913 年，丹麦物理学家玻尔（ N. Bohr ）发表了氢原子理论，并指出原子存在能级该理论在预言氢光谱的观察中取得了显著的成功 根据玻尔的原子理论， 原子光谱中的每根谱线都相应表示了原子从某一个较高能量状态向另一个较低能量状态跃迁时的辐射 除了可由光谱研究推得原子能级的存在，德国物理学家夫兰克（ J. Franck）和赫兹（ G. Herz）在 1914年采用慢电子与单元素气体原子碰撞的方法， 使原子从低能量激发到高能级， 通过实验测量电子和原子碰撞时交换的能量， 确定了这一能量为某一定值， 直接证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是分立的、 不连续的， 证明了原子能级的存在， 从而证明了玻尔理论的正确他们因此获得了 1925 年诺贝尔物理奖实验目的通过测定氩原子的第一激发电位（即中肯电位） ，证明原子具有能级，加深对微观粒子的基本特性 ── 能量量子化的认识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 （定态） 之中， 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状态称为激发态， 如图 1 所示。
原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态跃迁到另一个定态图 1 原子能级跃迁示意图当原子从一个定态跃迁到另一个定态时会吸收或发射一定频率的电磁波， 辐射的频率 ν决定于原子所处两定态能级间的能量差：式中普朗克常数h= 6.63 ×10-34J?s本实验是通过具有一定能量的电子与稀薄气体的原子（比如十几个乇的氩原子）碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁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，获得的能量为 eV，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞， 当电子能量 1 0eV E E 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， 电子能量的损失很小 如果 1 0eV E E E ，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞， 氩原子从电子获取能量 Δ E， 由基态跃迁到第一激发态，cE eV 相应的电位差 Vc 即为氩原子的第一激发电位（或中肯电位） 实验装置夫兰克 -赫兹实验仪，示波器ZKY-FH-2 智能夫兰克 -赫兹实验仪本实验仪采用充氩的夫兰克 -赫兹管，基本结构见图 2电子由热阴极 K 发出，阴极 K和第二栅极 G2 之间的加速电压 VG2K 使电子加速。
第一栅极 G1 和阴极 K 之间的加速电压 VG1K用于消除阴极电子散射的影响 在板极 A 和第二栅极 G2之间加有反向拒斥电压 VG2A 当电子通过 KG 2空间进入 G2A 空间时，如果有较大的能量（≥ eVG2A） ，就能冲过反向拒斥电场图 2 夫兰克 -赫兹管结构图到达板极形成板流， 被微电流计 μ A 表检出 如果电子在 KG 2 空间与氩原子碰撞， 把自己的一部分能量传给氩原子而使后者激发的话， 电子本身所剩的能量就很小， 以致通过第二栅板后已不足以克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计 μ A 表的电流将显著减小在实验中，逐渐增加 VG2K ，由电流计读出板极电流 I A，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间有确定的能量差的话，就能观察到如图 3 所示的变化曲线图 3 夫兰克 -赫兹管的 I A~VG2K 曲线图 3 所示的曲线反映了氩原子在 KG 2 空间与电子进行能量交换的情况当 KG 2 空间电压逐渐增加时，电子在 KG 2 空间被加速而取得越来越大的能量在起始阶段，由于电压较低， 电子的能量较小， 即使在运动过程中它与氩原子相碰撞也只有微小的能量交换 （弹性碰撞） 。
穿过第二栅极的电子所形成的板流 IA 将随第二栅极电压 VG2K 的增加而增大（如图 3的 oa 段） 当 KG 2 间的电压达到氩原子的第一激发电位 Vc 时，电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞， 将自己从加速电场中获得的全部能量交给后者， 并且使后者从基态激发到第一激发态 而电子本身由于把全部能量给了氩原子， 即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场而被折回第二栅极（被筛选掉） 所以极板电流将显著减小（如图 3 所示 ab 段） ，随着第二栅极电压的增加， 电子的能量也随之增加， 在与氩原子相碰撞后还留下足够的能量， 可以克服反向拒斥电场而达到极板 A，这时电流又开始上升（如图 3 所示 bc 段） 直到 KG 2 间电压是二倍氩原子的第一激发电位时，电子在 KG 2 间又会因二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次极板电流下降（如图 3 所示 cd 段） ，同理，凡在VG2K = nVc （ n = 1， 2， 3,, ）的地方极板电流 IA 都会相应下跌，形成规则起伏变化的 I A~VG2K 曲线而各次极板电流 IA下降相对应的阴、栅极电压差 Vn+1 – Vn 应该是氩原子的第一激发电位 Vc。
实验内容1、准备过程图 4 前面板接线图按图 4 所示连接夫兰克 -赫兹管各组工作电源线，检查无误后开机开机后的初始状态如下：实验仪的“ 1mA ”电流档位指示灯亮，电流显示值为 000.0μ A 实验仪的“灯丝电压”档位指示灯亮，电压显示值为 000.0V 最后一位在闪动手动”指示灯亮表明仪器工作正常2、手动测量氩元素原子的第一激发电位设置仪器为“手动”工作状态，按“手动 /自动”键， “手动”指示灯亮设定电流量程（电流量程参考机箱盖上提供的数据） ，按下相应电流量程键，对应的量程指示灯亮设定电压源的电压值（设定值可参考机箱盖上提供的数据） ，用↑↓ ← →键完成，需设定的电压源有：灯丝电压 VF、第一加速电压 VG1K 、拒斥电压 VG2A按下“启动”键，实验开始用完成 VG2K 电压值的调节，从 0.0V 起，按步长 0.5V 的电压值调节电压源 VG2K ， 同步记录值 VG2K 和对应的 IA 值， 同时仔细观察夫兰克 -赫兹管的极板电流值 I A 的变化（可用示波器观察） 为保证实验数据的唯一性 VG2K 电压必须从小到大单向调节，不可在过程中反复；记录完成最后一组数据后，立即将 VG2K 电压快速归零。
重新启动：在手动测试的过程中，按下启动按键， VG2K 的电压值将被设置为零，内部存储的测试数据被清除，示波器上显示的波形被清除，但 VF、 VG1K、 VG2A 、电流档位等的状态不发生改变这时可以在该状态下重新进行测试，或修改状态后再进行测试3、自动测量氩元素原子的第一激发电位自动测试时 VF、 VG1K、 VG2A 以及电流档位等状态设置的操作过程，与手动测试操作过程一样进行自动测试时，实验仪将自动产生 VG2K 扫描电压，完成整个测试过程实验仪默认VG2K 扫描电压的初始值为零， VG2K 扫描电压大约每 0.4 秒递增 0.2 伏，直到终止电压要进行自动测试，必须设置电压 VG2K 的扫描终止电压首先，按下“手动 /自动”键， “自动”指示灯亮；按下 VG2K 电压源选择键， VG2K 电压源选择指示灯亮；用↑↓ ← →键完成 VG2K扫描终止电压值的具体设定，建议不超过 85V按下“启动”键，自动测试开始在自动测试过程中， 可通过示波器观察夫兰克 -赫兹管极板电流随 VG2K 电压变化的波形为避免面板按键误操作而导致自动测试失败，在自动测试过程中，面板上除“手动 /自动”键外的所有按键都被屏蔽禁止。
当扫描电压超过设定的终止电压后， 实验仪将自动结束本次测试过程 测试数据保留在实验仪主机的存储器中， 示波器仍可观察到本次测试数据所形成的波形， 直到下次测试开始时才刷新存储器的内容自动测试过程正常结束后， 实验仪进入数据查询工作状态 这时面板按键除测试电流指标区外， 其他都已开启 自动测试指示灯亮， 电流量程指示灯指示于本次测试的电流量程选择档位；各电压源选择按键可选择各电压源的电压值指示，其中 VF、 VG1K、 VG2A 三电压源只能显示原设定电压值， 不能通过按键改变相应的电压值 用↑↓ ← →键改变电压源 VG2K的指示值，就可查阅到在本次测试过程中，电压源 VG2K 的扫描电压为当前显示值时，对应的夫兰克 -赫兹管极板电流 IA 的大小当需要结束查询过程时，只要按下“手动 /自动”键，手动测试指示灯亮，查询过程结束，面板按键再次全部开启原设置的电压状态被清除， 实验仪存储的测试数据被清除，实验仪回复到初始状态自动测试过程中，如需中断测试，只要按下“手动 /自动”键，手动测试指示灯亮，原设置的电压状态被清除， 所有按键都被再次开启工作 但本次测试的数据依然保留在实验仪主机的存储器中，直到下次测试开始才被清除。
4、数据处理在坐标纸上描绘各组 I A - VG2K 数据对应的曲线（也可使用计算机软件作图） 计算每两个相邻波峰所对应的 VG2K 的差值 Δ VG2K ， 并求出其平均值 V 将实验值 V与氩的第一激发电位 Vc = 11.61V 比较，计算相对误差，并写出结果表达式表 1 IA峰值及对应的 VG2K值IA 峰值（ μ A）VG2K 值 (V)附：数据记录表VG2K (V) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 I A (μ A) VG2K (V) 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 I A (μ A) VG2K (V) 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 I A (μ A) VG2K (V) 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 27.5 I A (μ A) VG2K (V) 28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5 31.0 31.5 32.0 32.5 33.0 33.5 34.0 34.5 I A (μ A) VG2K (V) 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 40.0 40.5 41.0 41.5 I A (μ A)VG2K (V) 42.0 42.5 43.0 43.5 44.0 44.5 45.0 45.5 46.0 46.5 47.0 47.5 48.0 48.5 I A (μ A)VG2K (V) 49.0 49.5 50.0 50.5 51.0 51.5 52.0 52.5 53.0 53.5 54.0 54.5 55.0 55.5 I A (μ A)VG2K (V) 56.0 56.5 57.0 57.5 58.0 58.5 59.0 59.5 60.0 60.5 61.0 61.5 62.0 62.5 I A (μ A)VG2K (V) 63.0 63.5 64.0 64.5 65.0 65.5 66.0 66.5 67.0 67.5 68.0 68.5 69.0 69.5 I A (μ A)VG2K (V) 70.0 70.5 71.0 71.5 72.0 72.5 73.0 73.5 74.0 74.5 75.0 75.5 76.0 76.5 I A (μ A)VG2K (V) 77.0 77.5 78.0 78.5 79.0 79.5 80.0 80.5 81.0 81.5 82.0 82.5 83.0 83.5 I A (μ A) 。