夫兰克-赫兹实验 理论基础 实验内容及操作步骤 数据处理 思考与讨论 注意事项 历史背景及意义 实验装置 实验原理
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。 1913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子有核模型，建立 了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃 迁概念。电子在能级之间迁跃时伴随电磁波的吸收和发射，电 磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差，并满 足普朗克频率定则。随着英国物理学家埃万斯（E.J.Evans） 对光谱的研究，玻尔理论被确立。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。随后，在1914年， 德国科学家夫兰克和他的助手赫兹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，并且实现了对原子的可控激发，从而为玻尔 原子理论提供了有力的证据
1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的 诺贝尔物理学奖（1926年于德国洛丁根补发）。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。所 以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。 (JAMES FRANCK) (GUSTAV HERTZ)
理论基础 根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定 状态之中，其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 它高能级所对应的态称为激发态。 当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收 或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态 能级间的能量差，并满足普朗克频率选择定则： hv = En − Em (h为普朗克常数) 本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满 足能量选择定则： En Em eV = − (Ｖ为激发电位)
实验装置 氩管夫兰克—赫兹管 特点：采用充氩夫兰克 -赫兹管，比以前使用 充汞管方式有了重大改 进，去掉了较为落后的 灯管加热炉装置，即便 于操作，又避免了由于 温度控制不精确而对实 验造成的误差、以及汞 蒸气对人体及环境的污 染
实验原理 充氩夫兰克-赫兹管的基本 结构见右图。电子由阴极K发 出，阴极K和第一栅极G1之间 的加速电压VG1K及与第二栅 极G2之间的加速电压VG2K使 电子加速。在板极A和第二栅 极G2之间可设置减速电压 VG2A。 μA V VG1K K VG2K G1 VG2A G2 电子 氩原子 A 灯丝 夫兰克—赫兹管结构图 注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏的电压，用 于消除阴极电子散射的影响
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eV<E1-E0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，电子能量损失很少。如果 eV≥E1-E0=ΔE，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞，氩原子从电子中取 得能量ΔE，而由基态跃迁到第一激发态，ΔE=eVC。相应的电位差VC即 为氖原子的第一激发电位。 在实验中，逐渐增加VG2K，由电流计读出板极电流IA，得到如下图所 示的变化曲线. 图2-2-4 夫兰克—赫兹管的IA～VG2K曲线 o IA a c b d e V1 V2 V3 V4 V5 V6 (nA) VG2K o
实验内容及操作步骤 实验内容 用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一激发 电位，并做比较。 分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F—H实验曲线的影响。 了解计算机数据采集、数据处理的方法。 操作步骤 正确认识电路连接及原理； 启动预热；（注：预热开始，就必须设定好以下几个值： V灯、VG1K、VG2A，根据仪器给定参数设定，VG2K=30v） 正式测量；手动测试；联机测试
不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。 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。 注意事项
数据处理 n n V V V V V V V n c [( ) ( )/ 2 ]/ 1 1 2 1 3 1 − = − + − + + 100 100 0 0 − = C C C V V V E 根据手调“栅压调节”做出的IA-VG2K曲线和计算机显 示所显示的曲线，求出各峰所对应的电压值，用逐差法求出 氩原子第一激发电位，并与公认值VC0=11.5V伏比较，求出 测量误差