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1、夫兰克-赫兹实验1913年，丹麦物理学家玻尔（N. Bohr）提出了一个氢原子模型，并指出原子存在能级。该模型 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表示原子从 某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。1914年，德国物理学家夫兰克J Franck）和赫兹（G. Hertz）对勒纳用来测量电离电位的实验装 置作了改进，他们同样采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原子碰撞的办法，但着重 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。直接证明了
2、原子发生跃变时吸收和发 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。由而获得了1925 年诺贝尔物理学奖金。夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛去小能量 电子的方法，己成为广泛应用的实验技术。【实验目的】通过测定氩原子等元素的第一激发电位（即中肯电位），证明原子能级的存在。【实验原理】1 .关于激发电位：玻尔提出的原子理论指出：（1）原子只能较长地停留在一些稳定状态（简称为定态）。原子在这些状态时，不发射或吸收能 量：各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。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
3、定态。（2）原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。如果用 Em 和 En 分别代表有关两定态的能量的话，辐射的频率v决定于如下关系：h V= Em En（1一2 1）式中，普朗克常数h = 6. 63 X10-34 J sec为了使原子从低能级向高能级跃迁，可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法 来实现。设初速度为零的电子在电位差为U。的加速电场作用下，获得能量eU。当具有这种能量的电子 与稀薄气体的原子（比如十几个乇的氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。如以E1代表氩原子 的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原于吸收从电子传递
4、来的能量恰好为eU0 = E2 E1（ l22 ）时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态。而且相应的电位差称为氩的第一激发电位（或称氩的中肯 电位）。测定出这个电位差U。，就可以根据Q22）式求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量 成都世纪中科仪器有限公司地址：四川省成都市人民南路四段九号成都科分院邮编：610041电话：（028）85247006 85243932传真：（028）85247006差了（其他元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。夫兰克一赫兹实验的原理图如图121所示。在充氩的夫兰克一赫兹管中，电子由热阴极发出，阴 极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2k使电子加速。在板极A
5、和第二栅极G2之间加有反向拒斥电 压UG2A。管内空间电位分布如图122所示。当电子通过KG2空间进入G2A空间时，如果有较大 的能量（三eUG2A），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成板流，为微电流计gA表检出。如果电 子在 KG2 空间与氩原子碰撞，把自己一部分能量传给氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的 能量就很小，以致通过第二栅极后已不足于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计 gA 表的电流将显著减小。实验时，使Ugk2电压逐渐增加并仔细观察电流计 的电流指示，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123所示的IAUgk2曲
6、线。图 1 2 3 所示的曲线反映了氩原 子在 KG2 空间与电子进行能量交换的 情况。当 KG2 空间电压逐渐增加时，电 子图 1-2-3 充氩的夫兰克-赫兹管 IA UGK2 曲线在 KG2 空间被加速而取得越 来越大的能量。但起始阶段，由于电压 较低，电子的能量较少，即使在运动过 程中它与原子相碰撞也只有微小的能量 交换（为弹性碰撞）。穿过第二栅极的电 子所形成的板流 IA 将随第二栅极电压 UGK2 的增加而增大（如图123的oa段）。当KG2间的电压达到氩原子的第一激发电位Uo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
7、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）。所以板极电流将显著减小（图12 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板极A，这时电 流又开始上升(be段)。直到KG2间电压是二倍氩原子的第一激发电位时，电子在KG2间又会因二 次碰撞而失去能量，因而又会造成第二次板极电流的下降(cd段)，同理，凡在UGK2 = n Uo ( n=l, 2, 3 )(1-2-3)的地方板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的IAUgk2曲线。而各次板极
8、电流IA下降相对 应的阴、栅极电压差Un+1 一 Un应该是氩原子的第一激发电位Uo。本实验就是要通过实际测量来证实原子能级的存在，并测出氩原子的第一激发电位(公认值为U。= 11.5V)。原子处于激发态是不稳定的。在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，进行这种反跃 迁时，就应该有 e Uo 电子伏特的能量发射出来。反跃迁时，原子是以放出光量子的形式向外辐射能 量。这种光辐射的波长为ceU = hv = h( 1-2-4)o九he6.63x 10-34 x 3.00x 108o对于氩原子X =m = 1081AeU1.6 x 10-19 x 11.5o如果夫兰克一赫兹管中充以其他元
9、素，则可以得到它们的第一激发电位(表一)表一 几种元素的第一激发电位ElementSodium(Na)Potassium(K)Lithium(Li)Magnesium(Mg)Mercury (Hg)Helium(He)Neon(Ne)u0(v)2.121.631.843.24.921.218.6久(A)58985896766476996707.845712500584.3640.2【实验系统构成】FH-2 智能夫兰克一赫兹实验仪一台示波器 一台【实验内容及步骤】1、准备1.1 熟悉实验仪使用方法(见附录1)1.2 按照附录2 要求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
10、态如下：实验仪的“1mA”电流档位指示灯亮，表明此时电流的量程为1mA档；电流显示值为OOO.OuA； 实验仪的“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 最后一位在闪动，表明现在修改位为最后一位；“手动”指示灯亮。表明仪器工作正常。2、氩元素的第一激发电位测量2.1 手动测试a、设置仪器为“手动”工作状态，按“手动/自动”键，“手动”指示灯亮。b、设定电流量程（电流量程可参考机箱盖上提供的数据） 按下相应电流量程键，对应的量程指示灯点亮。c、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J / T，J/键完成，需设 定的电压源有：灯丝电压VF
11、、第一加速电压VGik、拒斥电压VG2a。d、按下“启动”键，实验开始。愿/ ?，J/键完成VG2k电压值的调节，从0.0V起，按步 长IV （或0.5V）的电压值调节电压源Vg2k，同步记录Vg2k值和对应的L值，同时仔细观察 夫兰克一赫兹管的板极电流值Ia的变化（可用示波器观察）。切记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VG2KG2KG2K电压快速归零。e、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、Vgik、VG2a、电流档位等的状
12、态不发生改变。 这时，操作者可以在该状态下重新进行测试，或修改状态后再进行测试。建议：手动测试IA-V，进行次或修改VF值再进行一次。A G2K2.2自动测试 智能夫兰克一赫兹实验仪除可以进行手动测试外，还可以进行自动测试。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；将示波器与实 验仪相连接，在示波器上可看到夫兰克一赫兹管板极电流随VG2k电压变化的波形。a、自动测试状态设置自动测试时Vf、Vgik、Vg2a及电流档位等状态设置的操作过程，夫兰克一赫兹管的连线 操作过程与手动测试操作过程一样。b、VG2K扫描终止电压的设定进行自动测试时，实验仪将自动产生Vg2K扫描电压
13、。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。直到扫描终止电压。要进行自动测试，必须设置电压Vg2K的扫描终止电压。首先，将 “手动/自动”测试键按下，自动测试指示灯亮；按下 VG2K 电压源选择键， VG2K电压源选择指示灯亮；用J / T，J/键完成VG2K电压值的具体设定。VG2K设定终 止值建议以不超过8 0V为好。c、自动测试启动将电压源选择选为Vg2K，再按面板上的“启动”键，自动测试开始。在自动测试过程中，观察扫描电压Vg2K与夫兰克一赫兹管板极电流的相关变化情况。 （可通过示波器观察夫兰克一赫兹管板极电流IA 随扫描电压 VG2K
14、变化的输出波形）在自动测试过程中，为避免面板按键误操作，导致自动测试失败，面板上除“手动/自动” 按键外的所有按键都被屏蔽禁止。d、自动测试过程正常结束当扫描电压VG2K的电压值大于设定的测试终止电压值后，实验仪将自动结束本次自动测 试过程，进入数据查询工作状态。测试数据保留在实验仪主机的存贮器中，供数据查询过程使用，所以，示波器仍可观测到 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贮器的内容。e、自动测试后的数据查询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示 区外，其他都己开启。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
15、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J / t，J/f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的扫描电压值为当前显示值时，对应 的夫兰克一赫兹管板极电流值IA的大小，记录IA的峰、谷值和对应的VG2k值（为便于作图， 在 IA 的峰、谷值附近需多取几点）。f、中断自动测试过程在自动测试过程中，只要按下“手动/自动键”，手动测试指示灯亮，实验仪就中断了自 动测试过程，回复到开机初始状态。所有按键都被再次开启工作。这时可进行下一次的测试 准备工作。本次测试的数据依然保留在实验仪主机的存贮器中，直到下次测试开始时才被清除。所以， 示波器仍会观测到部分波形。g、结束查询过程回复初始状态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。建议：“自动测试”应变化两次VF值，测量两组IA-Vg2k数据。若实
