弗兰克赫兹实验实验报告
Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2024.
弗兰克-赫兹实验
一实验目的
通过测定汞原子的第一激发电位，证明原子能级存在。 二实验原理 1激发电势
玻尔的原子能级理论
（1）原子只能长时间的停留在一些稳定的状态，（简称定态）。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定态。
（2）原子从一个定态跃迁到了另一个定态而发射或吸收一定的能量，辐射频率是一定的，满足
hv?Em?En（1）
原子实现能级跃迁的途径之一，就是通过具有一定能量的电子与原子碰撞的方式来实现的。
设初速度为零的电子在电势差为U的加速电场作用下，获得的能量为eU，当具有这种能量的电子与稀薄气体中的原子发生碰撞时，就会发生能量交换，如以E1带表汞原子的基态能量，E2代表汞原子第一激发态的能量，那么当汞原子从电子传递来的能量恰好为
eU0?E2?E1（2）
时，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（中肯电势）。
夫兰克-核子实验原理如图1示。
IA/nA UGK/V 图3夫兰克-赫兹管第一激发电势的IA-UGK曲线 在充汞的夫兰克赫兹管中，电子有阴极发出，阴极K和栅极G之间的加速电压UGK
供电子加速。在板极A和栅极G之间加有拒斥电压UAG。管子空间电位分布如图2示。当电子通过KG空间进入GA空间时，如果有较大的能量（≥eUAG），就能冲过反向拒斥电场而到达板极形成电流，为微电流计PA检测出。如果电子在KG空间与汞原子碰
撞，把自己的一部分能量给了汞原子而使后者激发的话，电子本身剩余的能量很少，以致功过栅极后不足以克服拒斥电场而被折回到栅极。这时，通过微电流计的电流将显着的减小。
实验时，观察电流计的电流随UGK逐渐增加时的现象。如果原子能级确实存在的话，而且基态与第一激发态有确定的能量差，就能观察到如图3示的IA-UGK曲线。曲线反映了汞原子在KG空间与电子进行能量交换的情况。当KG空间电压逐渐增加时，电子在KG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碰撞也只有较少的能量交换（弹性碰撞）。穿过栅极的电子形成的板流IA将随栅极电压的增加而增大（图中OA段）。当KG间的电压达到汞原子的第一激发电势U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量都交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发态。而电子本身由于能量全部交给了汞原子，即使穿过了栅极也不能克服拒斥电场而被折回栅极。所以板极电流IA将显着减小（图AB段）。随着栅极电压的正家，电子的能量也随着增加，在与汞原子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，这时电流有开始上升（BC段）。直到KG间电压是二倍的汞原子的第一激发电势时，电子在KG空间又会因为二次碰撞而失去能量，因而又造成了第二次板极电流的下降（CD段），同理
UGK?nU0（n=1，2，3，……）（3）
凡符合（3）式的地方板极电流都会下跌，形成规则起伏变化的IA-UGK曲线。而各次板极电流下降相对应的阴、栅极电压差Um?1?Um应该是汞原子的第一激发电势。
三实验仪器
FH-1A夫兰克-赫兹实验仪（加热炉、微电流测量放大器）、温度计。 四实验内容及步骤
1、正确连接线路，A、G、H、K连线一一对应，不可混接或短路。
2、将微电流放大器，工作选择置于DC，工作状态置于R，栅极电压调到最小，预热5分钟。
3、接通加热炉电源，温度升至180℃时调零（10-5档位）和满度（FULL）。 4、缓慢增加栅极电压，粗略全面观察一次IA的起伏变化，当μA表满度时相应的改变倍率。
弗兰克赫兹实验实验报告
