弗兰克-赫兹实验摘要：该报告阐明了弗兰克-赫兹实验的历史背景及实验目的，并研究了弗兰克-赫兹实验的设计思想及实验方法通过此实验证明了原子能级的存在Abstract: This research paper, first talking on the background and purpose of Frank-Hertz Experiment, has a study on its designing idea, and the way to work on the experiment. At last, the conclusion is drawn that the energy level do exist in the atom. 一、前言 玻尔原子理论作为基本假设，玻尔提出：原子只能处于一系列不连续的状态，这些状态具有分立的确定的能量值，称为定态；原子从一个定态过渡（跃迁）到另一个定态将伴随着辐射或吸收电磁波，电磁波的频率υ与两定态的能量值Em和En的关系为hυ= Em－En （1）式中 h=6.63×10-34Js，称为普朗克常量。
原子在正常情况下处于基态（最低能态），当原子吸收电磁波或受到其它有足够能量的粒子碰撞时，可由基态跃迁到能量较高的激发态弗兰克－赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持1914年，弗兰克（James Franck，1882—1964）和G..赫兹（Gustav Hertz，1887—1975）在研究充汞放电管的气体放电现象时，发现透过汞蒸汽的电子流随电子的能量显现出周期性的变化他们的结论是：（1）汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止；（2）此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V的加速；（3）可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为253.6nm的汞谱线的能量子；（4）4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势从而证明了原子内部能量是量子化的，进一步论证了原子能级的存在为此，弗兰克和赫兹获得了1925年诺贝尔物理奖 二、实验原理和实验设计思想如何检验玻尔的假说呢？弗兰克和赫兹设想，让具有一定能量（速度）的电子与稀薄气体的原子发生碰撞，并观测研究这些电子在碰撞前后的速度分布如果发生的是弹性碰撞，碰撞中既不能改变原子的能量，也不损失电子的能量，碰撞后电子的速度分布并不改变；如果发生非弹性碰撞，原子将吸收电子的能量，电子则因损失了能量而改变其速度分布。
弗兰克-赫兹实验的结果表明，在电子速度小于某一临界速度时，电子与原子发生弹性碰撞；在速度达到临界速度时发生非弹性碰撞，电子将能量交给原子，原子因吸收能量而过渡到较大的能量状态换言之，原子要么不吸收能量，发生弹性碰撞要么只吸收两个定态能量的差值，发生非弹性碰撞，从而直接证明了原子内部的能量确实是不连续的，是量子化的1. 激发电位的测定在弗兰克-赫兹管（即F-H管）中充以要测量的气体，电子由热阴极K发出在K的近处加一个小的正向电压UG1K，起到驱散在热阴极上电子云的作用在K与栅极G2之间加电场使电子加速，加速电压为UG2K G1和G2之间的距离较大，为电子与气体原子提供较大的碰撞空间，从而保证足够高的碰撞概率在G2与接收电子的极板A之间加有反向拒斥电压UG2A当电子通过KG2空间，进入G2A空间时，如果仍有较大能量，就能冲过反向拒斥电场而到达板极A，成为通过电流击的电流IA，进而被检测出来如果电子在KG2空间与原子碰撞，把自己一部分能量给了原子，使后者被激发，电子本身所剩下的能量就可能很小，以致通过栅极后不足以克服拒斥电场，那就达不到板极A，因而不通过电流计如果这样的电子很多，电流计中的电流就要显著的降低。
实验时，把KG2间电压逐渐增加，观察电流计的电流IA，这样就得到板极A电流随KG2 之间加速电压的变化情况通过IA-UG2K曲线的研究可得出原子能级的不连续性2.影响实验结果的因素（1）接触电位差和空间电荷实际的F-H管的阴极和栅极往往是不同的金属材料制作的，因此会产生接触电位差接触电位差的存在，使真正加到电子上的加速电压不等于UG2K，而是UG2K与接触电位差的代数和这将影响F-H实验曲线第一个峰的位置，使它左移或右移开始，阴极K附近积聚较多电子，这些空间电荷使K发出的电子受到阻滞而不能全部参与导电随着UG2K的增大，空间电荷逐渐被驱散，参与导电的电子逐渐增多，所以IA-UG2K曲线的总趋势呈上升状2）电子平均自由程对激发或电离的影响主要由炉温决定，还与电子速度等有关λ很短，相邻两次碰撞间获得能量小，经多次碰撞能量积累到第一激发态的能量时，能使原子激发到激发态，不容易激发到较高能态λ很长，相邻两次碰撞间获得能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在λ很长，加速电压较高，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能态，甚至电离三、实验仪器弗兰克-赫兹实验仪，示波器弗兰克-赫兹实验仪内置F-H管，充氩气，管内电子与氩原子发生碰撞，示波器用来显示IA-UG2K曲线波形。
四、实验内容1.按F-H实验仪面板图上的连接导线，反复检查是否连接正确，确认后方可开机2.打开电源，预热十分钟，预热条件：工作方式选择自动；电流量程、灯丝电压、UG1K电压、UG2A电压按给定参数设置；UG2K设置为30V3.手动测量氩原子的IA-UG2K曲线（UG2K没变化0.5V测量一个点）根据仪器标签确定：灯丝电源电压：4.1V，UG1K：2.0V，UG2A：3.5V，UG2K：≤80VUG2K (V)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0IA (10-7A)0.0010.0010.0010.0010.0010.00100.0010.0020.005UG2K (V)5.56.06.57.07.58.08.59.09.510.0IA (10-7A)0.0100.0150.0210.0290.0370.0450.0530.060.0680.076UG2K (V)10.511.011.512.012.513.013.514.014.515.0IA (10-7A)0.0880.10.1160.1340.1520.1690.1840.1970.2070.214UG2K (V)15.516.016.517.017.518.018.519.019.520.0IA (10-7A)0.2160.220.2250.2290.2340.2370.240.2420.2450.248UG2K (V)20.521.021.522.022.523.023.524.024.525.0IA (10-7A)0.2490.2510.2510.2510.2490.2490.2480.2510.2630.289UG2K (V)25.526.026.527.027.528.028.529.029.530.0IA (10-7A)0.3280.3690.4070.440.4690.4920.5130.5290.5390.544UG2K (V)30.531.031.532.032.533.033.534.034.535.0IA (10-7A)0.5430.5370.5250.5070.4860.4580.4270.3970.3780.373UG2K (V)35.536.036.537.037.538.038.539.039.540.0IA (10-7A)0.40.4570.5220.5810.6350.6820.7250.7590.7860.808UG2K (V)40.541.041.542.042.543.043.544.044.545.0IA (10-7A)0.8210.8190.8160.80.7720.7310.6790.6140.5460.478UG2K (V)45.546.046.547.047.548.048.549.049.550.0IA (10-7A)0.4340.4350.4860.5640.6430.7160.780.8360.8820.921UG2K (V)50.551.051.552.052.553.053.554.054.555.0IA (10-7A)0.9570.9831.0021.0121.0110.9980.9610.920.8640.791UG2K (V)55.556.056.557.057.558.058.559.059.560.0IA (10-7A)0.7070.6170.5460.5210.6430.7010.7640.8220.8780.927UG2K (V)60.561.061.562.062.563.063.564.064.565.0IA (10-7A)0.9260.9721.011.0451.0711.091.11.0791.0721.049UG2K (V)65.566.066.567.067.568.068.569.069.570.0IA (10-7A)1.010.9580.8930.8150.7340.670.6470.6650.7130.773UG2K (V)70.571.071.572.072.573.073.574.074.575.0IA (10-7A)0.8370.8940.9521.0071.0511.0921.131.161.1841.199UG2K (V)75.576.076.577.077.578.078.579.079.580.0IA (10-7A)1.2011.1991.1861.1621.1241.0721.0090.9390.8730.8264.自动测试功能得到I-U曲线，并利用示波器的测量功能求出氩原子的平均第一激发电位，和参考值Ug=11.39V比较。
T总=1.340ms(总的扫描时间)，T=0.764ms(第六个峰与第二个峰之间的时间间隔)5.改变灯丝电压和UG2A电压，观察并解释其对IA –UG2K曲线所产生的影响1）将灯。