弗兰克-赫兹实验报告实验原理

弗兰克-赫兹实验

一．实验目的

测量F-H管传统情况下加速电压与板极电流的关系曲线。 二．实验原理 1.激发电势

(1)玻尔的原子理论

原子只能较长地停留在定态，原子在这些状态时，不发射也不吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分割的。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。

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分别表示有关两定态的能量，辐射的频率?决定如下关系：

h??Em?En

式中，h为普朗克常量，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。

（2）设初速度为零的电子在电势差为U0的加速电场作用下，获得能量

eU0，当具有这种能量的汞电子与稀薄气体的原子发生碰撞时，就会发生能量

交换。如以E1代表汞原子的基态能量，E2代表汞原子的第一激发态能量，那么当汞原子吸收从电子传递来的能量恰为

eU0?E2?E1 （1）

汞原子就会从基态跃迁到第一激发态，相应的电势差称为汞的第一激发电势。测定出这个电势差U0，就可以根据公式（1）求出汞原子的基态和第一激发态之

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

弗兰克赫兹实验

亡灵 311300

【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。

【仪器用具】

ZKY-FH-2型智能弗兰克-赫兹实验仪、SS-7802型双踪示波器

【实验原理】

玻尔提出的原子理论指出：

（1）原子只能较长就地停留在一些稳定状态（简称为稳态）。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，期数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能从一个定态迁到另一个定态。

（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?决定于如下关系：

h??Em?En （23-1） 式中，普朗克常量h?6.63?10J?s。

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U0的加速电场作

2-2弗兰克—赫兹实验

【实验简介】

1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福原子核模型的基础上，结合普朗克量子理论，提出了原子能级的概念并建立了原子模型理论，成功地解释了原子的稳定性和原子的线状光谱理论。该理论指出，原子处于稳定状态时不辐射能量，当原子从高能态（能量Em）向低能态（能量En）跃迁时才辐射。辐射能量满足?E = Em?En 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。

1914年德国物理学家弗兰克和赫兹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。

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年获诺贝尔物理学奖。 【实验目的】

1、测量氩原子的第一激发电位；证实原子能级的存在，加深对原子结构的了解；

2、了解在微观世界中，电子与原子的碰撞和能量交换过程几率及影响因素。

【预习思考题】

1． 2．

【实验仪器】

DH4507智能型弗兰克-赫兹实验仪，示波器

DH4507智能

弗兰克—赫兹实验思考题答案

[预习思考题]

1、什么是能级玻尔的能级跃迁理论是如何描述的

答：在玻尔的原子模型中，原子是由原子核和核外电子所组成，原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量，轨道不同，能量的大小也不相同。这些与轨道相联系、大小不连续的能量构成了能级。

当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级Ｅn跃迁到高能级Ｅm，则原子需吸收一定的能量，该能量的大小为△E：

△E＝Ｅm－Ｅn

若电子从高能级Ｅm跃迁到低能级Ｅn，则原子将放出能量△E。

2、为什么I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流随U G2K的增大而增大

答：电子与汞原子的碰撞有一定的几率，总会有一些电子逃避了碰

撞，穿过栅极而到达板极。随着U G2K的增大，这些电子的能量增大，因此在I G2A－U G2K曲线上的各谷点电流也随着增大。

[实验后思考题]

1、温度对充汞F－H管的I G2A－U G2K曲线有什么影响

答：当温度过大时，单位体积内的汞原子数增加，电子的平均自由程减小，电子与汞原子的碰撞次数增加，因此，在整个加速过程中，弹性碰撞的总能量损失相应增大，其I G2A电流减小。

２、在I G2A－U G2K曲线上，为什么对

广东第二师范学院学生实验报告

院（系）名称 物理系 姓名 班别 11物理本四B 专业名称 物理教育 学号 实验课程名称 近代物理实验 实验项目名称 弗兰——赫兹实验 实验时间 2014年 4 月 1日 实验地点 物理楼六楼 实验成绩 指导老师签名 果与分析、实验心得 游富 115506020 内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结一.实验目的 1、了解弗兰克--赫兹实验的原理和方法； 2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法； 3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。 二、实验使用仪器与材料 F-H管、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、温度计 三、实验步骤 1． 正确连接电路； 2． 启动预热与控温： 使加热炉温度稳定在适当值（此值可由实验室给出），以保证在此温度下有利于电子激发汞原子到3P1态，并将激发到高能态和电离的概率限制到最小（在炉温达到设定值以前，先不要通电测量）。 3． 手动测量； 4. 调节电压，记录数据； 5. 绘制曲线 ； 四、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等） U(V) 0 1 1.1 1.4 1.5 1.7 1.8

一． 实验项目名称

亥姆霍兹线圈磁场 二． 实验目的

1.掌握霍尔效应原理测量磁场。

2.测量单匝载流圆线圈和亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布。 三． 实验原理

1.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的的磁场 （1）载流圆线圈磁场

根据比奥-萨伐尔定律，载流圆线圈在轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线）上某点磁场强度B为

B??0N0IR2(R2?x)322

式中?0?4??10?7Hm为真空磁导率，R为线圈的平均半径,N0为线圈的匝数,I为通过线圈的电流,x为轴线上某点到圆心O的距离。因此它在轴线上磁场分布如图25-1所示.

B Y

I B X

图25-1

（2）亥姆霍兹线圈

所谓亥姆霍兹线圈是两个相同的圆线圈，彼此平行且共轴，通以同方向电流I,理论计算证明:当线圈见距a等于线圈半径时,两线圈合磁场在轴线上（两线圈圆心连线）附近较大范围内是均匀的，如图25-2所示，这种均匀磁场在工程运用和科学实验中应用十分广泛。

B Y

B X

图25-2

2.霍尔效应法测磁场

广东第二师范学院学生实验报告

院（系）名称 物理系 姓名 班别 11物理本四B 专业名称 物理教育 学号 实验课程名称 近代物理实验 实验项目名称 弗兰——赫兹实验 实验时间 2014年 4 月 1日 实验地点 物理楼六楼 实验成绩 指导老师签名 果与分析、实验心得 游富 115506020 内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结一.实验目的 1、了解弗兰克--赫兹实验的原理和方法； 2、学习测定氩原子的第一激发电位的方法； 3、证明原子能级的存在，加强对能级概念的理解。 二、实验使用仪器与材料 F-H管、加热炉、温控装置、F-H管电源组、扫描电源和微电流放大器、温度计 三、实验步骤 1． 正确连接电路； 2． 启动预热与控温： 使加热炉温度稳定在适当值（此值可由实验室给出），以保证在此温度下有利于电子激发汞原子到3P1态，并将激发到高能态和电离的概率限制到最小（在炉温达到设定值以前，先不要通电测量）。 3． 手动测量； 4. 调节电压，记录数据； 5. 绘制曲线 ； 四、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等） U(V) 0 1 1.1 1.4 1.5 1.7 1.8

篇一：关于夫兰克-赫兹实验灯丝电压对曲线影响的研究报告

关于夫兰克-赫兹实验灯丝电压对曲线影响的研究报告

【摘要】：夫兰克-赫兹实验是近代物理的实验之一,对物理学有深远影响。本文介绍灯丝电源电压在夫兰克—赫兹实验中对IA-UG2K曲线的影响,得出灯丝电源电压变化时实验曲线的变化规律，分析了原因,并总结出为减小测量误差的改进方法。

【关键词】：夫兰克-赫兹实验，灯丝电压,……曲线

【Abstract】: Frank-Haze experiment is one of the most important experiments in modern physics, and it has great effect on the physics. In this paper, filament voltage affecting the curve shape in Frank-Haze experiment is introduced. The transform regularity of the curve affected by above mentioned factor is presented, and the reason is analy

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弗兰克-赫兹实验中氩管温度对实验曲线的影响

关键词：弗兰克-赫兹实验，温度，第一激发能

摘 要：在弗兰赫兹实验中测氩的第一激发能时，在其他实验参数不变

的情况下，研究温度的变化会对Ip VG2K 曲线产生的影响。

实验原理：

实验的装置如下图所示：

图中：管中充氩蒸气，旁热式热阴极K 发射电子，G1与K之间的电压把电子吸过来，经加速电压加速，这个过程中电子与被测气体原子发

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生碰撞，当电子能量较小时，电子与原子只能发生弹性碰撞，而当电子的能量达到氩蒸气原子的第一激发电位时，电子与原子就会发生非弹性碰撞，电子碰撞后将动能部分或全部传递给氩原子气体，使氩原子跃迁到第一激发态，即电子的动能损失一个第一激发能。这样电子不断被加速、碰撞、再加速……反复进行。栅极与P之间有减速电压，其目的是拦截掉一部分能量较小的电子，若电子因为碰撞损失能量，又没有加速到足够能量，就不能到达P形成电流。

电子在加速过程中与原子发生碰撞前所移动的距离是用电子的平均自由程λ来代替.自由电子在F2H 管G1 和G2 两极(加速部分) 中能量E 与离G1 极距离x 之间的关系.