篇一：大学物理 实验报告-夫兰克-赫兹实验
成都信息工程学院 物理实验报告
姓名：专业： 班级： 学号： 实验日期：实验教室： 指导教师：
【实验名称】 夫兰克-赫兹实验 【实验目的】
1．掌握夫兰克-赫兹实验的原理和方法，理解该实验的物理构思和设计技巧。 2．测量氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。 3．研究原子能级的量子特性，观察其特殊的伏安特性现象。 【实验仪器】
1．夫兰克-赫兹实验仪 仪器型号 ZKY-HZ-2 资产编号20032133 2．示波器编号30120031512 【实验原理】
一、玻尔提出的原子理论指出：
（1）原子只能较长久地停留在一些稳定状态（简称为定态），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。原子的能量无论通过什么方式发生改变，它只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。
（2）当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，会产生能量的变化。若原子吸收能量，则电子从低能级跃迁到高能级；而当电子从高能级跃迁到低能级时，要发射频率为?的光子，且
h??Ei?Ef （1）
式中：普朗克常量h?6.63?10
?34
J?S（焦尔?秒）
（3）电子的角动量满足L?mvr?n?（量子化条件）。
原子从低能级向高能级的跃迁，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的加速电场作用下，获得能量eU0。当具有eU0能量的电子与稀薄气体的原子（本实验是氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。如果被碰撞原子获得从电子传递来的能量恰好为
eU
?E2?E1（2）
式中E1为被碰撞原子的基态能量。E2为被碰撞原子的第一激发态的能量。则被碰撞原子就会从基态跃迁到第一激发态，而相应的电位差U0被称为原子的第一激发电位。测出这个电位差U0，就可以根据（2）式求出被碰撞原子的基态和第一激发态之间的能量差了。
一般情况下，原子在受激状态（如第一激发态）所处的时间不会太长，就自动回到基态，并以电磁辐射的形式放出以前所获得的能量，其辐射频率?或波长?由下式确定
h??eU0（3）
二、夫兰克-赫兹实验的原理
在充氩的夫兰克-赫兹管中，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之间设置反向拒斥电压VG2A，管内空间电位分布如图一所示：其中：（1）第一栅极G1和阴极K之间的加速电压VG1K约1.5伏的电压，主要用于消除阴极电子散射的影响。（2）各电压值大小遵守仪器说明，否则可能损坏管子。
图1 夫兰克-赫兹实验原理图
图2 夫兰克-赫兹管的IA～VGK曲线
当灯丝加热时，阴极的外层即发射电子，电子在G1和G2间的电场作用下被加速而取得越来越大的能量。但在起始阶段，由于电压VG2K较低，电子的能量较小，即使在运动过程中，它与原子相碰撞（为弹性碰撞）也只有微小的能量交换。这样，穿过第二栅极的电子所形成的电流IA随第二栅极电压VG2K的增加而增大（见图二oa段）。
当VG2K达到氩原子的第一激发电位时,电子在第二栅极附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。电子把从加速电场中获得的能量传递给氩原子,使氩原子从基态激发到第一激发态,而电子本身由于把能量传递给了氩原子,它即使能穿过第二栅极,也不能克服反向拒斥电压而被折回第二栅极。所以板极电流IA将显著减小(如图二ab段)。氩原子在第一激发态不稳定，会跃迁回基态，同时以光量子形式向外辐射能量。随着第二栅极电压VG2K的增加,电子的能量(在管内相同位置)也随之增加,与氩原子产生非弹性碰撞传递能量的位置从第二栅极附近向管子中间靠近，传递能量后的电子在VG2K的作用下继续增加能量，若有足够的能量就可以克服拒斥电压的作用力而到达板极A,这时电流又开始上升(如图二bc段),直到VG2K是2倍氩原子的第一激发电位时,电子在G2附近又会产生第二次非弹性碰撞而失去能量,因而又造成了第二次板极电流IA的下降(如图二cd段),这种能量转移随着加速电压的增加而呈周期性的变化。这个实验说明了夫兰克---赫兹管内的电子与氩原子碰撞的能量转换关系,说明原子能级的存在。
若以VG2K为横坐标,以板极电流值IA为纵坐标就可以得到谱峰曲线,两相邻谷点(或峰尖)间的加速电压差值,即为氩原子的第一激发电位值U0。
原子的第一激发电位还可以通过光谱分析测量原子从第一激发态跃迁回基态时光量子向外辐射能量的波
长而得到。 【实验内容】
熟悉夫兰克－赫兹实验仪的使用，要求在预习阶段认真阅读仪器介绍，操作过程中再仔细了解仪器并正确使用。
1．参照说明书提供的连线图连接好夫兰克-赫兹管的各组工作电源。 2．打开电源,工作方式选择自动。 3．预热条件:
〈1〉电流量程、灯丝电压、VG1K电压、VG2A电压设置参数见仪器机箱上盖的标牌参数。 〈2〉将VG2K设置为85V。
〈3〉预热10分钟左右,然后再做相应的实验。
4. 使用自动测试在示波器上显示最佳IA?VG2K曲线。自动测试过程正常结束后进行数据查询，记录所有的IA?VG2K对应值。
5. 在坐标纸上作出IA?VG2K曲线。利用曲线找出IA波峰（或波谷）对应的VG2K。利用逐差法求出氩原子的第一激发电位，并与公认值11.5V进行比较求百分差。 【注意事项】
夫兰克-赫兹管的各组工作电源不能接错，大小不能加错。 【数据记录】
灯丝
3.2VVG1K=1.5VVG2A?7V VG2K?82V
波峰波谷位置
篇二：赫兹实验报告
惠州学院近代物理实验报告
电子科学 系09物理2 班实验日期 2012 年 11 月 15 日 姓名 学号 同组姓名指导老师 宋晋湘 实验名称：弗兰克赫兹实验
实验目的：通过测定亚原子等元素的第一集发典韦，证明原子能级的存在。 实验原理
1、电子和气态汞原子碰撞
利用电子和气态汞原子的碰撞最容易实现弗兰克赫兹实验。原子从低能级en向高能级em跃迁可以通过具有一定能量的电子和原子碰撞来实现。若
与原子碰撞的电子是在电势差v的加速下，速度由0到v，则1
?e?em?en?ev?mv2
2
当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，相应的v称为第一激发电位，如果电
子的能量达到原子电离的能量，会有电离发生，相应的v称为该原子的电离电位。 2、实验
装置
实验原理图： 电子碰撞在f-h管内进行。真空管内充以不同的元素就可以测出相应元素的第一激发电
位。
f-h四极管包括电极灯丝f，氧化物阴极k，两个栅极g1和g2和一个屏极a，阴极k照
在灯丝f外，又灯丝f的电压可控制k发射电子的强度，靠近阴极k的实第一栅极，在g1
和k之间加有一个小正电压vg1k，第二栅极远离g1而靠近屏极a，g2和a之间加一 小的遏止负电压vg2a.
f-h管内充有hg时，vg2k和屏流ip满足： 3
ip?cexp{vg2k}
2
充hg的f-h管被加热式hg气化后，ip-vg2k曲线发生变化，如图所示当vg2k=4.9nv(n=1,2,3?)时，图线上都将出现一个峰值，原因是每到一个4.9v电子与
汞原子发生了非弹性碰撞，电子将能量全部转移给汞原子，失去能量的电子不能到达屏极。实验步骤及内容
一、测hg的第一激发电位
1、将装置温度调整到一定值，然后将vf,vp,vg调制标定值 vf=1.3v vg1k=2.5v
vg2p=1.5v t=157℃
2、测量vg2k-ip曲线，先将vg2k跳至(调至)最小，之后每增大0.5v记录一次ip的数
据，直到测出6到8个峰
二、测ar的第一激发电位 1、接线
2、扫描开关调至“自动”挡，速度开关调至“快进（快速）” 3、调整示波器“ch1”“ch2”
的位置 4、调节vg1,vp,vf的位置至给定值
5、开始测量，从零开始，vg2k每隔0.05v记录一次ip值直到最大 vg2k实际值：示数
x10，ip实际值：示数x10（na）测量数据及分析
1、汞
ip/ua
2015
105
00
5
10
15
20
25
30
35
40
45
hg的ip-vg2k图像各峰值之间的vg2k之差为 δv1=11.41-6.92=4.49v δv2=16.15-11.41=4.74v δ
v3=20.78-16.15=4.63v δv4=25.61-20.78=4.83v δv5=30.50-25.61=4.89v δ
v6=35.41-30.50=4.91v δv7=40.30-35.41=4.89v 故汞的第一激发电位为v?
4.49?4.74?4.63?4.83?4.89?4.91?4.89?4.76v
7
ar的ip-vg2k数据120
100 80
60
40
20
a各峰值之间的差为
δv1=29.12-19.16=9.96v δv2=40.46-29.12=11.34v δv3=52.09-40.46=11.63v δ
v4=63.92-52.09=11.83v δv5=76.33-63.92=12.41v δv6=89.28-76.33=12.95v ar的ip-vg2k图像故ar的第一激发电位为v?
9.96?11.34?11.63?11.86?12.41?12.95?11.69v
6
思考题
当f-h管温度较低时，由于电子平均自由程大，电子有机会使积蓄的能量超过4.9ev，
从而使原子向高激发态跃迁的概率增加，这样图像上ip会对应出现高激发态的峰值，曲线的
峰间距变长，峰值增大。当温度较高时，则会出现相反效果。 实验心得
当用示波器测量ar的第一激发电位时，要注意调整发射电子的强度，不能在最高处出 篇二：弗兰克-赫兹实验报告 大学物理实验报告-弗兰克赫兹实验实验题目：弗兰克赫兹实验实验器材：f－h实验管、恒温加热电炉、f－h实验装置、示波器。 实验内容：
1．熟悉实验装置，掌握实验条件。该实验装置由f－h管、恒温加热电炉及f－h实验装置构成，其装置结构如下图所示：f-v管中有足够的液态汞，保证在使用温度范围内管内汞蒸气总处于饱和状态。一般温
度在100 oc至250 oc。并且由于hg对温度的灵敏度高，所以温度要调好，不能让它变化太
大。灯丝电压控制着阴极k发射电子的密度和能量分布，其变化直接影响曲线的形状和每个
峰的位置，是一个关键的条件。
2．测量hg的第一激发电位。
1）起动恒温控制器，加热地f-h管，使炉温稳定在157 oc，并选择合适的灯丝电压，
vg1k=2.5v，vg2p=1.5v，vf=1.3v。
2）改变vg2k的值，并记录下对应的ip值上（每隔0.2v记录一个数据）。
3）作数据处理，作出对应的ip-vg2k图，并求出hg的第一激发电位（用逐差法）。
3．测ar原子的第一激发电位。
1）调节好相关的数据：vp=8.36v，vg1=1.62v，vg2k=0~100v，vf=2.64v；
2）将相关档位调到自由档位，在示波器上观看得到的ip-vg2k图，是否符合实验要求（有六个以上的波峰）。再将相关档位调到手动档位。
3）手动改变vg2k的值，并记录下对应的ip值上（每隔0.05v记录一个数据）。
4）作数据处理，作出对应的ip-vg2k图，并求出hg的第一激发电位（用逐差法）。
4．得出结论。原始数据:
1.vf=1.3v vg1k=2.5v vg2p=1.5v t=157oc求汞原子的第一激发电位的数据表
2. vp=8.36v vg1=1.62v vg2k=0~100vvf=2.64v 求ar原子的第一激发电位的数据表数据处理：
1．求hg原子的第一激发电位。将在实验中记录下的数据，以点的形式描在x-y坐标上，并用平滑曲线连接后得到的图
形为： 得到的七个峰值（ip），对应的ug2k依次为：u1=7.0v , u2=11.6v , u3=16.0v , u4=21.0v ,
u5=25.8 v, u6=30.6v , u7=35.6v .设ux为hg的第一激发电位，则有下列式子（逐差法）：4*ux1=u5-u1=25.8v-7.0v=18.8v, ux1=4.7v; 4*ux2=u6-u2=30.6v-11.6v=19.0v,ux2=4.8v; 4*ux3=u7-u3=35.6v-16.0v=19.6v,ux3=4.9v 则==4.8v.
不确定度分析：
ua=
u0.68=1.32*ua=1.32*0.06v=0.08v.篇三：弗兰克赫兹实验报告弗兰克赫兹实验
实验背景：1914年，德国物理学家夫兰克和赫兹对勒纳用来测量电离电位的实验装置作
了改进。他们采
取慢电子(几个到几十个电子伏特)与单元素气体原子碰撞的办法，着重观察碰撞后电子
发生什么变化(勒纳则观察碰撞后离子流的情况)。通过实验测量，电子和原子碰撞时会交换
某一定值的能量，且可以使原子从低能级激发到高能级，独立证明了原子波尔理论的正确性，
由此获得了1925年诺贝尔物理学奖。
一、实验目的
1. 通过测定汞原子的第一激发点位，证明原子能记得存在。 2. 学习测量微电流的方法。
二、实验原理
（一）原子能级
根据玻尔理论，原子只能处在一些不连续的定态中，每一定态相应于一定的能量，常称
为能级。受激原子在能级间跃迁时，要吸收或发射一定频率的光子。然而，原子若与具有一
定能量的电子发生碰撞，也可使原子从低能级跃迁到高能级。夫兰克－赫兹实验正是利用电
子与原子的碰撞实现这种跃迁的。电子在加速电压ｕ的作用下获得能量，表现为电子的动能
mv/2，当eu?mv2/2?en?em时，即可实现跃迁。若原子吸收能量eu0。从基态跃迁到第一激发
态，则称u0为第一激发电位或中肯电位。 汞原子基态之上的最低一组能级如右图所示。汞原子基态为由二个6s 电子组成的1s0，
较近的激发态为由一个6s 电子和一个6p 的电子构 3333成的1p单能级和， 和组成的三能级。只有pppp12101为允许自发跃1迁态：3p1?s0,
发出波长为253.7nm的紫外光，对应能量为2
31
因pu0?4.9ev。3p2 和3p0为亚稳态，1?s0的跃迁属于禁戒跃迁，所以通常把3p1态称为汞的第一激发态。
（二）原理说明 实验原理图如图2和图3所示，充汞的夫兰克- 赫兹管，其阴极k被灯丝h加热，发射电子。电子在k 和栅极 g 之间被加速电压ukg加速而获得能量，并与汞原子碰撞，栅极与板极a之间加反向拒
斥电压uga，只有穿过栅极后仍有较大动能的电子，才能克服拒斥电场作用，到达板极形成
板流ia。
以下是根据实验得出的ia?ugk曲线示意图，每当ugk?nu0时ia都会下降，曲线上两个
相邻的峰（谷）的ugk间距即为原子第一激发电位。
三、实验仪器
f—h 实验管， wmzk—01 温度控制仪，电脑化x—y 记录仪，fh—ii 型夫兰克—赫兹
实验仪
四、实验数据与结论
（一）标准系统参数：
灯丝电压ugk?1.5v；加速电压ug1k?2.0v；反向拒斥电压ug2p?3.0v；温度t?180c 200600
1.5v
500
400 100 ia
300
020000400006000080000100000ugk
图5
利用origin拾取峰值后得到如下数据（表1），并线性拟合如图6： 90000
linear regression for ugk=1.5v 80000700006000050000ugk
40000300002000010000 2
4
6
8
10
12
14
16
linear regression for sheet1_b:y = a + b * x parametervalueerror
------------------------------------------------a2454.90705182.56756b5127.834412
0.07975----------------------------------------------- n
表1 图6 从图中可以读出本次试验标准参数下的原子第一激发点位（及曲线斜率）uo?5.1278v。
（二）改变温度，研究温度对曲线的影响：灯丝电压ugk?1.5v；加速电压ug1k?2.0v；反向拒斥电压ug2p?3.0v 分别测t?170c，t?190c，t?200c下的数据与上述t?180c数据对比。用类似的处理方法，
有以下数据（表2）： 表2 通过比较有：
（1）hg原子的第一激发电位在5.1v左右；
（2）实验中第一峰值并不在4.9v处，而是沿ugk轴向右平移； （3）随着温度的升高，
第一激发电位有小幅下降，直观图形如图7。 分析：对于（2），这是由于系统接触电位差引
起的；
对于（3），温度的改变引起hg蒸气饱和气压的改变，即汞蒸气的密度变化，从而导致电
子的平均自由程改变。温度升高时， 较短，电子由加速电场获得的能量小，因而电子在两次
碰撞之间得到足够的能量去激发hg原子到较高能级的机会较小，而激发到低能级的可能性大。
电子平均自由程增大，从而使电子与汞原子的碰撞趋于更频繁，使本底电流减小，曲线的峰
数增多，第一激发电位减小。14001300 120011001000900800700600ia
500400300200100
0-100-200 ugk 图7
（二）改变灯丝电压，研究其对实验的影响(定性)：加速电压ug1k?2.0v；反向拒斥电压ug2p?3.0v；温度t?180c
篇三：弗兰克赫兹_实验报告
《大学物理夫克兰赫兹实验报告》
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