弗兰克赫兹实验教案讲义.docx

弗兰克—赫兹实验备课教案

第

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弗兰克-赫兹实验（氩）

教学方式：

讲述和演示（30分钟）学生实验 （120分钟）一、实验背景

1914年，夫兰克（J.Franck）和赫兹(G.Hertz)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，同年又拍摄到汞发射光谱的253.7nm谱线，并提出了原子中存在“临界电位”。1920年，夫兰克及其合作者对原先的装置做了改进，测得了亚稳能级和较高的激发能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的，从而证实了原子能级的存在。由于这项

卓越的成就，夫兰克和赫兹荣获1925年度诺贝尔物理奖。

二、实验目的

了解弗兰克—赫兹实验的原理和方法；

测定氩原子第一激发电势，验证原子能级的存在。

三、实验仪器

ZKY-FH型智能夫兰克—赫兹实验仪、示波器

四、实验原理

玻尔原子理论和激发电位：

根据玻尔原子理论，原子只能较长地停留在一些稳定状态（即定态），各定

态的能量是分立的。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定态，发生跃迁时辐射频率是一定的。如果用E 和E分别代表有

m n

关两定态能量的话，辐射的频率?决定于如下关系：

? ?h?

? ?

m n

式中，普朗克常数：h?6.63?10?34J?s

夫兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁。

设初速度为零的电子在电位差为U

0

的加速电场作用下获得能量eU

0

。当具有

这种能量的电子与稀薄气体的原子（比如十几个托的氩原子）发生碰撞时，就会

发生能量交换。如以E

1

代表氩原子的基态能量、E

2

代表氩原子的第一激发态能

2 量，那么当氩原于吸收从电子传递来的能3量恰好为： 4

eU ?E ?E

0 2 1

(2)

时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态，相应的电位差称为氩的第一激发电位。

测定出这个电位差U

0

，就可以求出氩原子的基态和第一激发态之间的能量差了（其

它元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。

夫兰克—赫兹实验的基本原理

夫兰克-赫兹实验（简称F-H实验）的原理如图1所示。其中夫兰克-赫兹管

H221 G1K（简称F-H管）是一只具有双栅极结构的柱面型四极管，管内充有待测的氩气。第一栅极G与阴极K之间加上约2V的电压，由电源U 提供，其作用是消除空间电荷对阴极散射电子的影响，提高发射效率。灯丝电源U 加热灯丝H，当灯丝H加热时，阴极的氧化层发射慢电子，慢电子在栅极G和阴极K间的加速电场的作用下被加速而取得越来越大的能量，并通过管内氩气朝栅极G

H

2

2

1 G1K

2 22 2G2A 2于阴极与G的距离较大，电子在加速向G运动的过程中，可能会与氩原子发生多次碰撞，有的可以穿越加速区间到达G，有的却无法到达G，有的即使勉强到达，而所具有的定向速度已经很小了。电源U在栅极G

2 2

2 2

G2A 2

2 G2A个拒斥场，它使到达G附近而能量小于eU的电子不能到达极板A

2 G2A

K

HU G1 Ar

H

F-H管

U

G2 A

U

I(μA)

AG c e

A

a

UG1K

G2K

G2A

b d

O

U U U U U U

1 2 3 4 5 6

U (V)

U U G2K

0 0

图1 F-H实验原理图 图2 IA?UG2K曲线

G1K G2A A实验过程中保持U 和U 的数值不变，直接测量极板电流I

G1K G2A A

G2KU 变化的关系，并由此可以确定待测原子的第一激发电势。

G2K

G2KG2K在U 刚开始升高时，电子的能量较小，即使在运动过程中它与与原子相碰撞（弹性碰撞）也只有微小的能量交换。随着U 的升高，电子的能量增大，越来越多

G2K

G2K

A的电子具有穿越拒斥场的能力，从而由到达极板A的电子所形成的极板电流I 将也随之增大，如图2的oa段。

A

G2K 2当U 达到或大于氩原子的第一激发电位（13.1V）时，电子在G附近与氩原子发生非弹性碰撞。电子把从加速电场中获得的全部或部分能量传递给氩原子，使氩原子从基态激发到第一激发态

G2K 2

2 2 A穿越过G，也不能克服反向拒斥电场而被迫返回G，于是极板电流I

2 2 A

G2KG2K小，如图5.7-2的ab段。此后随着U的增加，电子与氩原子发生非弹性碰撞后余下的能量也随之增大，能够克服拒斥电场的作用力而到达极板A的电子数目也随之增加，如图5.7-2的bc段。当U