弗兰克赫兹实验理论概述课件

弗兰克-赫兹实验大学物理实验

弗兰克-赫兹实验大学物理实验1弗兰克G.赫兹(JamesFranck,1882-1964)(GustavHertz,1887-1975)弗兰克2

弗兰克1882年8月26日出生于德国汉堡。在海德堡大学学了一年化学，1902年入柏林大学学习物理学。1906年在瓦尔堡导师的指导下，获博士学位。在法兰克福大学担任助教，不久又返回柏林大学任助教。1911年获得柏林大学物理学“大学授课资格”，在柏林大学讲课直到1918年（由于战争而中断了教学。战争中曾获一级铁十字勋章），后成为该大学的物理学副教授。1917年任威廉皇帝物理化学研究所的分部主任。1921年受聘为格丁根大学教授，并担任第二实验物理学研究所主任。人物简介弗兰克1882年8月26日出生于德国汉堡。在3

1933年为抗议希特勒反犹太法，弗兰克公开发表声明并辞去教授职务，离开德国去哥本哈根；一年后他移居美国，成为美国公民。1935年—1938年任约翰·霍布金斯大学物理系教授。1938年起任芝加哥大学物理化学教授，直到1949年退休。第二次世界大战期间，他参加了研制原子弹有关的工程，但与大多数科学家一样，他反对对日本使用原子武器。在芝加哥大学期间，弗兰克还担任该校光合作用实验室主任，对各种生物过程、特别是光合作用的物理化学机制进行了研究。1964年弗兰克在访问格丁根时于5月21日逝世。

1933年为抗议希特勒反犹太法，弗兰克4

G.赫兹1887年7月22日出生于汉堡。他是电磁波的发现者H.赫兹的侄子。赫兹于1906年进入格丁根大学，后来在慕尼黑和柏林大学学习，1911年毕业。1913年任柏林大学物理研究所研究助理。第一次世界大战爆发，赫兹1914年从军，1915年在一次作战中负重伤，1917年回到柏林当校外教师。1920年到1925年间，赫兹在埃因霍温的菲利普白炽灯厂物理研究室工作。1925年赫兹被选为哈雷大学的教授和物理研究所所长。

1928年回到柏林任夏洛腾堡工业大学物理教研室主任。1935年由于政治原因辞去了主任职务，又回到工业界，担任西蒙公司研究室主任。1945年到1954年在苏联工作，领导一个研究室，这期间他被任命为莱比锡卡尔·马克思大学物理研究所所长和教授。1961年退休，先后在莱比锡和柏林居住。G.赫兹1887年7月22日出生于汉堡。他是电磁波的51913年赫兹和弗兰克一起开始研究电子碰撞。G.赫兹发表了许多关于电子和原子间能量交换的论文和关于测量电离电势的论文。有些是单独完成的，有些是和弗兰克、克洛珀斯合作的。他还有一些关于分离同位素的著作。

G.赫兹是德国科学院院士，1975年在柏林去世。弗兰克赫兹实验理论概述课件6丹麦物理学家尼·玻尔于1913年提出了自己的原子结构假说，认为围绕原子核运动的电子轨道半径只能取某些分立的数值，这种现象叫轨道的量子化.不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子在做高速运动，但不向外辐射能量，因而这些状态是稳定的。原子在不同的状态下有着不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。

丹麦物理学家尼·玻尔于1913年提出了自7由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的。这些能量值就是能级。

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=EmEn（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。由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子核8

1914年弗兰克（JFranck）和赫兹（GHertz）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的原子模型理论提供了直接证据，对玻尔的原子理论是一个极有力的支持。

玻尔因原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖。弗兰克与赫兹的实验于1925年获诺贝尔物理学奖。弗兰克——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。1914年弗兰克（JFranck）和9一、实验目的通过弗兰克-赫兹实验了解原子内部能量量子化的情况。用实验的方法测量氩原子的第一激发电位,证明原子分立态（能级）的存在；一、实验目的通过弗兰克-赫兹实验了解原子内部能量量子化的10二、实验仪器

FH2051弗兰克-赫兹实验仪YB4320示波器二、实验仪器11三、实验原理玻尔原子理论的两个基本假设：(1)定态假设。原子只能处在一些稳定的状态中，其中每一状态对应一定的能量值Ej(j=1，2，3,….)。这些数值是彼此分立的，不连续的。(2)频率定则。当原子从一个稳定状态过度到另一个稳定状态时，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。三、实验原理玻尔原子理论的两个基本假设：(1)定态假12

频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系：其中h=6.63×10ˉ³4J·s，称为普朗克常数。

ν为频率，En、Em为两个不同定态的能量电离∞EnEmE1第一激发态E0基态hv=En-Em频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量13原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或放出电磁辐射时，二是当原子与其他粒子发生碰撞而交换能量时。本实验就是利用具有一定能量的电子与氩原子相碰撞而发生能量交换来实现氩原子状态的改变。原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本14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）；由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其15

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。设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态量。初动能为零16弗兰克一赫兹实验原理(如图1所示)弗兰克一赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充氩四级管。阴极K，板极A，第一栅极G1、第二栅极G2。第一栅极G1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。第一栅极G1与阴极K之间的电位差由电源UG1提供。电源Uf加热灯丝，使旁热式阴极K被加热，从而产生慢电子。扫描电源加在栅极G2和阴极K间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内氩蒸气朝栅极G2运动。图1弗兰克-赫兹实验原理图电子氩原子KG2G1AIpUG22UG1UP灯丝电压Uf微电流仪弗兰克一赫兹实验原理(如图1所示)图1弗兰克-赫兹实验原理图17

在充氩的弗兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出并有热阴极K和第二栅极G2之间的加速电压VG2使电子加速。在板极P和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压VP用以阻碍电子从栅极飞向阳极。当电子通过空间KG2进入空间G2P时，如果具有的能量较大（>eVP），就能冲过反向拒斥电场而达到阳极形成阳极电流，用微电流计A测出。如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把一部分能量传递给氩原子使其激发，电子本身所剩余的能量就很小，以至通过第二栅极后以不足克服拒斥电场而被斥回到第二栅极。这时通过微电流计的电流就将明显减小。在充氩的弗兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出并有热18

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。当能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差E＝E2E1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。

图2弗兰克-赫兹实验VG2~Ip曲线图

ab

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I

(nA)OU1U2U3U4U5U6U7VG2(v)弗兰克-赫兹管的Ip-VG2曲线电子在不同区间的情况：图2弗兰克-赫兹实验VG219

3.G2-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。当电子进入此区间时的能量小于Eu,则不能达到板极。由此可见，若eνG2<E，则电子带着eνG2的能量进入G2-A区域。随着νG2的增加，板极电流Ip增加（如图2中Oa段）形成第一个波峰。若eνG2＝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νG2，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）形成第一个波谷。3.G2-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。20

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>nE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

E=eν继续增大νG2，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极21

测量氩原子的第一激发电位。通过曲线，观察原子能量量子化情况，证明原子能级的存在，并求出氩原子的第一激发电位。四、实验内容测量氩原子的第一激发电位。四、实验内容221.将弗兰克赫兹仪器的“信号输出”与示波器的“CH1输入（X）”相连；仪器的“同步输出”与示波器的“外部触发”相连。

五、实验步骤1.将弗兰克赫兹仪器五、实验步骤232．打开仪器电源和示波器电源。将仪器方式设置为自动，设置灯丝电压Vf,第一栅压VG1,拒斥电压Vp（具体参数由实验室提供）第二栅压VG2（0-82v)。预热二十分钟，调节示波器，在示波器上观看得

到的Ip-VG2图，

是否符合实验

要求（有六个

以上的波峰）。

2．打开仪器电源和示波器电源。24

将方式档位调到手动档位调节加速电压（VG2）以0.5V为步长，从10.0开始,记录对应的电流值。当电流出现5个峰后，结束测量。将实验装置恢复为原始状态，关闭仪器电源和示波器电源。将方式档位调到手动档位调节加速电压（VG2）以0.5V25★选择“自动”“快速”档，调节VG1、Vp、Vf至给定的参数值，调节“扫描”旋钮至最大，调节示波器，观察弗兰克-赫兹实验曲线。★选择“手动”“慢速”档，手动调节加速电压VG2，使图形出现5个完整的波峰、波谷，认真记录数据，在峰、谷附近多测几组数。

（逐渐调节VG2，稳定工作范围为0～82V之间）★选择“自动”“快速”档，调节VG1、Vp、Vf至给定26六：数据处理要求1.整理原始数据（峰、谷处多保留几个实验点）用整理后的数据在坐标纸上描绘出Ip-VG2的关系曲线，确定出Ip极大时所对应的电压。2.用逐差法处理数据求出氩原子的第一激发电位

Vg。3.用Vg与Vg理=11.61v进行比较，计算出相对误差写出结果。得出结论（出现吸收峰，说明原子能量不连续。峰值等间隔，说明同类原子的第一激发电位相同）。六：数据处理要求1.整理原始数据（峰、谷处多保留几个实验点）27注意：1、各电压值须按照给定值进行设置；2、VG2设定终止值不要超过82V。3、手动测试完毕后，尽快将VG2减为零。注意：28七、实验数据表

VG2(V)Ip(uA)VG2(V)VG2(V)Ip(uA)Ip(uA)七、实验数据表

VG2(V)Ip(uA)VG2(V)VG2(29020406080100051015202530(87.5,20.0)(74.5,17.5)(62.2,16.3)(49.9,13.6)(37.9,11.2)(26.9,8.0)(17.0,3.5)

Ip(uA)VG2(V)姓名班级020406080100051015202530(87.5,30思考题：1.原子跃迁辐射频率与发生跃迁的两定态能量之间有什么关系？2.什么是原子的第一激发电势？它和原子能级有什么关系？3.为什么Ip－VG2曲线上的各谷峰点电流随VG2的增大而增大？思考题：1.原子跃迁辐射频率与发生跃迁的两定态能31特别提示上实验课时，一定要带上预习报告。实验报告纸。坐标纸（与报告纸等大）。★特别提示上实验课时，一定要带上32TheendTheend33

弗兰克-赫兹实验大学物理实验

弗兰克-赫兹实验大学物理实验34弗兰克G.赫兹(JamesFranck,1882-1964)(GustavHertz,1887-1975)弗兰克35

弗兰克1882年8月26日出生于德国汉堡。在海德堡大学学了一年化学，1902年入柏林大学学习物理学。1906年在瓦尔堡导师的指导下，获博士学位。在法兰克福大学担任助教，不久又返回柏林大学任助教。1911年获得柏林大学物理学“大学授课资格”，在柏林大学讲课直到1918年（由于战争而中断了教学。战争中曾获一级铁十字勋章），后成为该大学的物理学副教授。1917年任威廉皇帝物理化学研究所的分部主任。1921年受聘为格丁根大学教授，并担任第二实验物理学研究所主任。人物简介弗兰克1882年8月26日出生于德国汉堡。在36

1933年为抗议希特勒反犹太法，弗兰克公开发表声明并辞去教授职务，离开德国去哥本哈根；一年后他移居美国，成为美国公民。1935年—1938年任约翰·霍布金斯大学物理系教授。1938年起任芝加哥大学物理化学教授，直到1949年退休。第二次世界大战期间，他参加了研制原子弹有关的工程，但与大多数科学家一样，他反对对日本使用原子武器。在芝加哥大学期间，弗兰克还担任该校光合作用实验室主任，对各种生物过程、特别是光合作用的物理化学机制进行了研究。1964年弗兰克在访问格丁根时于5月21日逝世。

1933年为抗议希特勒反犹太法，弗兰克37

G.赫兹1887年7月22日出生于汉堡。他是电磁波的发现者H.赫兹的侄子。赫兹于1906年进入格丁根大学，后来在慕尼黑和柏林大学学习，1911年毕业。1913年任柏林大学物理研究所研究助理。第一次世界大战爆发，赫兹1914年从军，1915年在一次作战中负重伤，1917年回到柏林当校外教师。1920年到1925年间，赫兹在埃因霍温的菲利普白炽灯厂物理研究室工作。1925年赫兹被选为哈雷大学的教授和物理研究所所长。

1928年回到柏林任夏洛腾堡工业大学物理教研室主任。1935年由于政治原因辞去了主任职务，又回到工业界，担任西蒙公司研究室主任。1945年到1954年在苏联工作，领导一个研究室，这期间他被任命为莱比锡卡尔·马克思大学物理研究所所长和教授。1961年退休，先后在莱比锡和柏林居住。G.赫兹1887年7月22日出生于汉堡。他是电磁波的381913年赫兹和弗兰克一起开始研究电子碰撞。G.赫兹发表了许多关于电子和原子间能量交换的论文和关于测量电离电势的论文。有些是单独完成的，有些是和弗兰克、克洛珀斯合作的。他还有一些关于分离同位素的著作。

G.赫兹是德国科学院院士，1975年在柏林去世。弗兰克赫兹实验理论概述课件39丹麦物理学家尼·玻尔于1913年提出了自己的原子结构假说，认为围绕原子核运动的电子轨道半径只能取某些分立的数值，这种现象叫轨道的量子化.不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子在做高速运动，但不向外辐射能量，因而这些状态是稳定的。原子在不同的状态下有着不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。

丹麦物理学家尼·玻尔于1913年提出了自40由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的。这些能量值就是能级。

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=EmEn（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。由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子核41

1914年弗兰克（JFranck）和赫兹（GHertz）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的原子模型理论提供了直接证据，对玻尔的原子理论是一个极有力的支持。

玻尔因原子模型理论获1922年诺贝尔物理学奖。弗兰克与赫兹的实验于1925年获诺贝尔物理学奖。弗兰克——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。1914年弗兰克（JFranck）和42一、实验目的通过弗兰克-赫兹实验了解原子内部能量量子化的情况。用实验的方法测量氩原子的第一激发电位,证明原子分立态（能级）的存在；一、实验目的通过弗兰克-赫兹实验了解原子内部能量量子化的43二、实验仪器

FH2051弗兰克-赫兹实验仪YB4320示波器二、实验仪器44三、实验原理玻尔原子理论的两个基本假设：(1)定态假设。原子只能处在一些稳定的状态中，其中每一状态对应一定的能量值Ej(j=1，2，3,….)。这些数值是彼此分立的，不连续的。(2)频率定则。当原子从一个稳定状态过度到另一个稳定状态时，就吸收或放出一定频率的电磁辐射。三、实验原理玻尔原子理论的两个基本假设：(1)定态假45

频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量差，并满足如下关系：其中h=6.63×10ˉ³4J·s，称为普朗克常数。

ν为频率，En、Em为两个不同定态的能量电离∞EnEmE1第一激发态E0基态hv=En-Em频率的大小取决于原子所处两定态之间的能量46原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本身吸收或放出电磁辐射时，二是当原子与其他粒子发生碰撞而交换能量时。本实验就是利用具有一定能量的电子与氩原子相碰撞而发生能量交换来实现氩原子状态的改变。原子状态的改变通常在两种情况下发生，一是当原子本47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）；由玻尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其48

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。设E2和E1分别为原子的第一激发态和基态量。初动能为零49弗兰克一赫兹实验原理(如图1所示)弗兰克一赫兹管是一个具有双栅极结构的柱面型充氩四级管。阴极K，板极A，第一栅极G1、第二栅极G2。第一栅极G1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。第一栅极G1与阴极K之间的电位差由电源UG1提供。电源Uf加热灯丝，使旁热式阴极K被加热，从而产生慢电子。扫描电源加在栅极G2和阴极K间，建立一个加速场，使得从阴极发出的电子被加速，穿过管内氩蒸气朝栅极G2运动。图1弗兰克-赫兹实验原理图电子氩原子KG2G1AIpUG22UG1UP灯丝电压Uf微电流仪弗兰克一赫兹实验原理(如图1所示)图1弗兰克-赫兹实验原理图50

在充氩的弗兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出并有热阴极K和第二栅极G2之间的加速电压VG2使电子加速。在板极P和第二栅极G2之间加有反向拒斥电压VP用以阻碍电子从栅极飞向阳极。当电子通过空间KG2进入空间G2P时，如果具有的能量较大（>eVP），就能冲过反向拒斥电场而达到阳极形成阳极电流，用微电流计A测出。如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把一部分能量传递给氩原子使其激发，电子本身所剩余的能量就很小，以至通过第二栅极后以不足克服拒斥电场而被斥回到第二栅极。这时通过微电流计的电流就将明显减小。在充氩的弗兰克-赫兹管中，电子由热阴极发出并有热51

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。当能量小于氩原子第一激发态与基态的能级差E＝E2E1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。

图2弗兰克-赫兹实验VG2~Ip曲线图

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(nA)OU1U2U3U4U5U6U7VG2(v)弗兰克-赫兹管的Ip-VG2曲线电子在不同区间的情况：图2弗兰克-赫兹实验VG252

3.G2-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。当电子进入此区间时的能量小于Eu,则不能达到板极。由此可见，若eνG2<E，则电子带着eνG2的能量进入G2-A区域。随着νG2的增加，板极电流Ip增加（如图2中Oa段）形成第一个波峰。若eνG2＝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νG2，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）形成第一个波谷。3.G2-A区间电子受阻，被拒斥电场吸收能量。53

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>nE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

E=eν继续增大νG2，电子碰撞后的剩余能量也增加，到达板极54

测量氩原子的第一激发电位。通过曲线，观察原子能量量子化情况，证明原子能级的存在，并求出氩原子的第一激发电位。四、实验内容测量氩原子的第一激发电位。四、实验内容551.将弗兰克赫兹仪器的“信号输出”与示波器的“CH1输入（X）”相连；仪器的“同步输出”与示波器的“外部触发”相连。

五、实验步骤1.将弗兰克赫兹仪器五、实验步骤562．打开仪器电源和示波器电源。将仪器方式设置为自动，设置灯丝电压Vf,第一栅压VG1,拒斥电压Vp