弗兰克赫兹实验

弗兰克—赫兹实验

一、实验的历史背景

1913年丹麦物理学家玻尔（N?Bohr）提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论。

玻尔认为，原子内部存在稳定的量子态，电子在量子态之间跃迁时伴随着电磁波的吸收和发射，即有

?E = Em?En （1）

对于外界提供的能量，只有满足原子跃迁到高能级的能级差，原子才吸收并跃迁，否则不吸收。

弗兰克与赫兹认为，用电子束激发原子，如果原子只能处于某些分立的能态，那么实验一定会显示：只有某种能量的电子能引起原子的激发。

1914年德国物理学家弗兰克（J?Franck）和赫兹（G?Hertz）用慢电子穿过汞蒸气的实验，测定了汞原子的第一激发电位，从而证明了原子分立能态的存在。后来他们又观测了实验中被激发的原子回到正常态时所辐射的光，测出的辐射光的频率很好地满足了玻尔理论。弗兰克—赫兹实验的结果为玻尔理论提供了直接证据。

但是他们1914年的实验装置有一缺点：电子的动能难以超过4.9eV，一旦被加速达到4.9eV，就将与汞原子碰撞而失去能量，这样，就无法使汞原子受激发达到更高的能态，以至于只能证实汞原子的4.9eV这一个量子态。

1920年，弗兰克将原先的实验装置做了改进，其最大的特点是把加速与碰撞分在两个区域内进行，可使电子在加速区获得相当高的能量。实验确实显示出汞原子内存在一系列的量子态。

1924年，赫兹用改进后的装置重新做了实验，充分说明了原子跃迁时吸收的能量是不连续的。 玻尔因其原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖，而弗兰克与赫兹的实验也于1925年获此奖。夫兰克——赫兹实验与玻尔理论在物理学的发展史中起到了重要的作用。 二、弗兰克赫兹管内的物理过程

夫兰克一赫兹实验原理(如图1所示)，阴极K，板极A，G1 、G2分别为第一、第二栅极。 K-G1-G2加正向电压，为电子提供能量。UG1K的作用主要是消除空间电荷对阴极电子发射的影

响，提高发射效率。G2-A加反向电压，形成拒斥电场。

电子从K发出，在K-G2区间获得能量，在G2-A区间损失能量。如果电子进入G2-A区域时能

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大于或等于eUG2A，就能到达板极形成板极电流I.

电子在不同区间的情况：

1. K-G1区间 电子迅速被电场加速而获得能量。

2. G1-G2区间 电子继续从电场获得能量并不断与氩原子碰撞。当其能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差?E＝E2?E1 时，氩原子基本不吸收电子的能量，碰撞属于弹性碰撞。当电子的能量达到?E，则可能在碰撞中被氩原子吸收这部分能量，这时的碰撞属于非弹性碰撞。?E称为临界能量。

3. G2-A区间 电子受阻，被拒斥电场吸收能量。若电子进入此区间时的能量小于eU G2A则不能达到板极。

由此可见，若eUG2K

若eUG2K＝?E则电子在达到G2处刚够临界能量，不过它立即开始消耗能量了。继续增大UG2K，电子能量被吸收的概率逐渐增加，板极电流逐渐下降（如图2中ab段）。

继续增大UG2K，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc段）。

若eUG2K>n?E则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流I随加速电压UG2KI (nA)

a

c b

UG2K(V)O U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7

图2弗兰克-赫兹实验UG2K～I曲线

变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。氩原子第一激发态与基态间的能级差

?E= e?U

三、激发电位

氩原子从基态跃迁到第一激发态相应的电势差即相邻峰值之间的电压差?U称为氩原子的第一激发电位。存在第二激发电位，从第一激发电位跃迁到第二激发电位相应的电势差就是第二激发电

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位。将电子加速区和与氩原子碰撞区分开来，这样就不会出现每当电子被加速到临界能量时就能量就被“碰”掉了。可以在加速区加速到较高的能量，然后再去碰撞，一次性的把氩原子激发到更高的电位。

什么叫第一激发电位？其物理含义？有没有第二激发电位？有的话，能否测量出来？

电子被加速后获得能量 eU，e是电子电量，U 是加速电压。当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞,电子碰撞前后的能量几乎不变，而只改变运动方向；若电子能量大于某个能量eU0时，电子与原子则发生非弹性碰撞，实现能量交换，使原子从基态跃迁到第一激发态，则U0称为第一激发电势。

有。从第一激发态跃迁到第二激发态相对应的电势差就叫第二激发电位。随着加速电压的逐渐加速，电子获得能量，先从第一激发态开始跃迁，逐渐跃迁到第二激发态。能测量出来。

四、弗兰克赫兹管还能充汞蒸气测汞离子的第一激发电位，还可充满氦气和氖气研究临界电位。 五、四极管中能剪掉一极，电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场，电子多穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流器测量。 六、 1.为什么伏安特性曲线是这样？

由玻尔理论可知， 处于基态的原子发生状态改变时，其所需能量不能小于该原子从基态跃迁到第一受激态时所需的能量，这个能量称为临界能量。当电子与原子碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则发生弹性碰撞（电子不损失能量）；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞（电子把数值为△E= E2 - E1 的能量交给氩原子，只保留余下的部分）；

设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态量。初动能为零的电子在电位差U0的电场作用下获得能量eU0，如果 eU0 =hν = E2 - E1

当电子与原子发生碰撞时，原子将从电子获取能量而从基态跃迁到第一激发态。相应的电位差Ug就称为氩原子的第一激发电位。当电子的能量等于或大于第一激发能时，原子就开始发光。由此可见，若eνG2

继续增大νG2，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极的电子又会逐渐增多（如图2中bc段）出现第二个波峰。若eνG2>n?E则电子在进入G2-A区域之前可能n次被氩原子碰撞而损失能量。板极电流Ip随加速电压变化曲线就形成n个峰值，如图2所示。相邻峰值之间的电压差?V称为氩原子的第一激发电位。氩原子第一激发态与基态间的能级差

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?E= e?ν

1、 查有关弗兰克赫兹实验的历史（正确的实验，错误的解释）

在1913年，丹麦物理学家玻尔将量子概念应用于当时人们尚未接受的卢瑟福原子核结构的模型上，并提出来原子结构的量子理论， 成功地解释了氢光谱，为量子力学的创建起了巨大的作用，但玻尔理论的定态假设与经典电动力学明显对立，而频率定则带有浓厚的人为因素，故当时很难为人们所接受。正是在这样的历史背景下，1914年，两位德国的实验物理学家弗兰克和赫兹采用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，利用两者的非弹性碰撞将原子激发到较高能态，通过测量电子与原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子能级的存在，并验证了频率定则，为玻尔理论提供了独立于光谱研究方法的直接的实验证明。由于这项卓越的成就，这两位物理学家获得了1925年的诺贝尔物理学奖。弗兰克和赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱才产生的原因是原子或分子的电离，光谱频率v与电离电势V有如下的量子关系：hv=eV

弗兰克和赫兹在1914年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点，他们相信自己的实验无可辩驳地证实了斯塔克的观点，认为4.9v电势差引起了汞原子的电离。他们也许因为战争期间信息不通，对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在论文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论。其实，玻尔在得知弗兰克—赫兹的实验后，早在1915年就指出，弗兰克—赫兹实验的4.9v正是他的能级理论中预言的汞原子的第一激发电势。

1919年，弗兰克和赫兹表示同意玻尔的观点，弗兰克在他的诺贝尔奖领奖词中讲到：“在用电子碰撞方法证明向原子传递的能量是量子化的这一科学研究的发展中，我们所作的一部分工作犯了很多错误，走了一些弯路，尽管玻尔理论已为这个领域开辟了笔直的通道。后来我们认识到了玻尔理论的指导意义，一切困难才迎刃而解。我们清楚地知道，我们的工作所以会受到广泛的认可，是由于它和普朗克，特别是和玻尔的伟大思想和概念有了联系”

2、 实验中除了可以充汞蒸气还可以充什么气体？例如氩蒸气呢？为什么？ 还可以充氩蒸气。只是电压值要变。

4、能不能减掉一个极呢？（可以，为了过滤）

可以。其中的K钱加一级板是使用旁热式加热，其目的是使电子均匀发射，从而使电子的能量测得更准。同时KG1是使得这之间的间距小于电子在汞蒸气中的平均自由程，目的是建立一个无碰撞的加速区，使电子在这个区域内只加速不碰撞。最使G1和G2这两个栅极处处于同电位，即建立一个等势区来作为碰撞区，电子在这个区域内只碰撞不加速，这样，可以使得加速和碰撞分在两个区域内进行，从而避免了原先装置中的缺点，可使电子中在加速区获得相当高的能量。所以即使减掉一个极也是可以的。只是影响实验效果而已。

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