2023年4月17日发(作者：信息安全管理制度)夫兰克－赫兹实验
1913年，丹麦物理学家玻尔（N．Bohr）提出了一个氢原子模型，并指出原子存在能级。
该模型在预言氢光谱的观察中取得了显著的成功。根据玻尔的原子理论，原子光谱中的每根
谱线表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。
1914年，德国物理学家夫兰克（J．Franck）和赫兹（G. Hertz）对勒纳用来测量电离
电位的实验装置作了改进，他们同样采取慢电子（几个到几十个电子伏特）与单元素气体原
子碰撞的办法，但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。直接证明了原子发生跃变时吸收和发射的能量是分立的、不连续的，证明了原子能级的
存在，从而证明了玻尔理论的正确。由而获得了19猴子英语怎么写
25年诺贝尔物理学奖金。
夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段之一，实验中用的“拒斥电压”筛
去小能量电子的方法，己成为广泛应用的实验技术。
【实验目的】
（1）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。
（2）了解研究原子内部能量问题时所采用的基本实验方法
（3）了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图象
（4）进一步理解玻尔的原子理论
【实验原理】
1．关于激发电位：
玻尔提出的原子理论指出：
（1）原子只能较长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 （1－2－1）
式中，普朗克常数 h = 6．63 10 Jc
-34
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的加速电场作用下，获得能量eU0。当具有这种能
量的电子与稀薄气体的原子（比如十几个乇的氩原子）发生碰撞时，就会发生能量交换。如
以E1代表氩原子的基态能量、E2代表氩原子的第一激发态能量，那么当氩原于吸柠檬的功效
收从电子
传递来的能量恰好为
eU0 = E2 － E1 （l－2－2 ）
时，氩原子就会从基态跃迁到第一激发态。而且相应的电位差称为氩的第一激发电位（或称
氩的中肯电位）。测定出这个电位差U0，就可以根据（l－2－2）式求出氩原子的基态和第
一激发态之间的能量差了（其他元素气体原子的第一激发电位亦可依此法求得）。
夫兰克一赫兹实验的原理图如图l－2－1所示。在充氩的夫兰克一赫兹管中，电子由热
阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。在板极A和第二栅极
G2之间加有反向拒斥电压UG2A 。管内空间电位分布如图1－2－2所示。当电子通过KG2
空间进入G2A空间时，如果有较大的能量（ ≥eUG2A ），就能冲过反向拒斥电场而到达板极
形成板流，为微电流计A表检出。如果电子在KG2空间与氩原子碰撞，把自己一部分能量
传给氩原子而使后者激发的话，电子本身所剩余的能量就很小，以致通过第二栅极后已不足
于克服拒斥电场而被折回到第二栅极，这时，通过微电流计A表的电流将显著减小。
实验时，使UGK2电压逐渐增加并仔
细观察电流计的电流指示，如果原子能级确实存在，而且基态和第一激发态之间有确定的能
量差的话，就能观察到如图1－2－3所
示的IA～UGK2 曲线。
图l－2－3所示的曲线反映了氩原
子在KG2空间与电子进行能量交换的情
况。当KG2空间电压逐渐增加时，电子
图 1-2-3 充氩的夫兰克-赫兹管I～
A
U 曲线在KG2空间被加速而取得越来
GK2
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
中它与原子相碰撞也只有微小的能量交
换（为弹性碰撞）。穿过第二栅极的电子
所形成的板流IA 将随第二栅极电压
UGK2 的增加而增大（如图1－2－3的
oa段）。当KG2间的电压达到氩原子的第一激发电位Uo时，电子在第二栅极附近与氩原子
相碰撞，将自己从加速电场中获得的全部能量交给后者，并且使后者从基态激发到第一激发
态。而电子本身由于把全部能量给了氩原子，即使穿过了第二栅极也不能克服反向拒斥电场
而被折回第二栅极（被筛选掉）。所以板极电流将显著减小（图1－2－3所示ab段）．随着
第二栅极电压的增加，电子的能量也随之增加，在与氩原子相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 ，这时电流又开始上升（ bc段）。直到 KG2间电压是二
倍氩原子的第一激发电位时，电子在KG2间又会因二次碰撞而失去能量，因而又会造成第二
次板极电流的下降（cd段），同理，凡在
UGK2 ＝ n Uo（ n＝1，2，3 „„ ） （ 1－2－3）
的地方板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化睡眠记忆法
的IA～UGK2 曲线。而各次板极电流
IA下降相对应的阴、栅极电压差Un+1一Un应该是氩原子的第一激发电位Uo。.本实验就是
要通过实际测量来证实原子能级的存在，并测出氩原子的第一激发电位（公认值为 Uo ＝
11.5V）。
原子处于激发态是不稳定的。在实验中被慢电子轰击到第一激发态的原子要跳回基态，
进行这种反跃迁时，就应该有e Uo电子伏特的能量发射出来。反跃迁时，原子是以放出光
量子的形式向外辐射能量。这种光辐射的波长为
（ 1
eUhh
o
－2－4）
c
hc6.63103.0010
348
对于氩原子
m1081
19
eU
o
1.61011.5
如果夫兰土豆卷的做法
克一赫兹管中充以其他元素，则可以得到它们的第一激发电位（表一）
表一 几种元素的第一激发电位
Element Sodium Potassium Lithium Magnesium Mercury Helium Neon
U（V） 2.12 1.63 1.84 3.2 4.9 21.2 18.6
0
() 6707.8 4571 2500 584.3 640.2
(Na) (K) (Li) (Mg) (Hg) (He) (Ne)
5898 7664
5896 7699
【实验系统构成】
●FH-2智能夫兰克一赫兹实验仪 一台
●示波器 一台
【实验内容及步骤】
1、 准备
1.1熟悉实验仪使用方法（见附录1）
1.2按照附录2要求连接夫兰克赫兹管各组工作电源线，检查无误后开机。
开机后的初始状态如下：
●实验仪的“1mA”电流档位指示灯亮，表明此时电流的量程为1mA档；电流显示值为
000.0uA；
●实验仪的“灯丝电压”档位指示灯亮，表明此时修改的电压为灯丝电压；电压显示值
为000.0V；最后一位在闪动，表明现在修改位为最后一位；
●“手动”指示灯亮。
表明仪器工作正常。
2、 氩元素的第一激发电位测量
2.1手动测试
a、设置仪器为“手动”工作状态，按“手动/自动”键，“手动”指示灯亮。
b、设定电流量程（电流量程可参考机箱盖上提供的数据）
按下相应电流量程键，对应的量程指示灯点亮。
c、设定电压源的电压值（设定值可参考机箱盖上提供的数据），用↓ / ↑，←／→键
完成，需设定的电压源有：灯丝电压VF、第一加速电压VG1K、拒斥电压VG2A 。
d、按下“启动”键，实验开始。用↓ / ↑，←／→键完成 VG2K电压值的调节，从0.0V
起，按步长1V（或0.5V）的电压值调节电压源VG2K，同步记录V值和对应的I
G2KA
值，同时仔细观察夫兰克一赫兹管的板极电流值IA的变化（可用示波器观察）。切
记为保证实验数据的唯一性V电压必须从小到大单向调节，不可在过程中反复；
G2K
记录完成最后一组数据后，立即将V电压快速归零。
G2K
e、重新启动
在手动测试的过程中，按下启动按键，VG2K的电压值将被设置为零，内部存储
的测试数据被清除，示波器上显示的波形被清除，但VF、VG1K、VG2A、电流档位等
的状态不发生改变。这时，操作者可以在该状态下重新进行测试，或修改状态后再
进行测试。
建议：手动测试I-V，进行一次或修改VF值再进行一次。
AG2K
2.2自动测试
智能夫兰克一赫兹实验仪除可以进行手动测试外，还可以进行自动测试。
进行自动测试时，实验仪将自动产生VG2K扫描电压，完成整个测试过程；将示
波器与实验仪相连接，在示波器上可看到夫兰克一赫兹管板极电流随VG2K电压变化
的波形。
a、自动测试状态设置
自动测试时VF、VG1K、VG2A及电流档位等状态设置的操作过程，夫兰克一赫兹
管的连线操作过程与手动测试操作过程一样。
b、VG2K扫描终止电压的设定
进行自动测试时，实验仪将自动产生VG2K扫描电压。实验仪默认VG2K扫描电压
的初始值为零，VG2K扫描电压大约每0．4秒递增0．2伏。直到扫描终止电压。
要进行自动测试，必须设置电压VG2K的扫描终止电压。
首先，将 “手动／自动”测试键按下，自动测试指示灯亮；按下VG2K电压源选
择键，VG2K电和田玉怎么鉴别
压源选择指示灯亮；用↓ / ↑，←／→键完成 VG2K电压值的具体设
定。VG2K设定终止值建议以不超过8 0V为好。
c、自动测试启动
将电压源选择选为VG2K，再按面板上的“启动”键，自动测试开始。
在自动测试过程中，观察扫描电压VG2K与夫兰克一赫兹管板极电流的相关变化
情况。 (可通过示波器观察夫兰克一赫兹管板极电流IA随扫描电压VG2K变化的
输出波形） 在自动测试过程中，为避免面板按键误操作，导致自
动测试失败，面板上除“手动／自动”按键外的所有按键都被屏蔽禁止。
d、自动测试过高考加油的句子
程正常结束
当扫描电压VG2K的电压值大于设定的测试终止电压值后，实验仪将自动结束本
次自动测试过程，进入数据查询工作状态。
测试数据保留在实验仪主机的存贮器中，供数据查询过程使用，所以，示波器仍
可观测到本次测试数据所形成的波形。直到下次测试开始时才刷新存贮器的内容。
e、自动测试后的数据查询
自动测试过程正常结束后，实验仪进入数据查询工作状态。这时面板按键除测试
电流指示区外，其他都己开启。自动测试指示灯亮，电流量程指示灯指示于本次测
试的电流量程选择档位；各电压源选择按键可选择各电压源的电压值指示，其中VF、
VG1K、VG2A三电压源只能显示原设定电压值，不能通过按键改变相应的电压值。用
↓ / ↑，←／→键改变电压源VG2K的指示值，就可查阅到在本次测试过程中，电
压源VG2K的扫描电压值为当前显示值时，对应的夫兰克一赫兹管板极电流值IA的
大小，记录IA的峰、谷值和对应的VG2K值（为便于作图，在IA的峰、谷值附近需
多取几点）。
f、中断自动测试过程
在自动测试过程中，只要按下“手动／自动键”，手动测试指示灯亮，实验仪就
中断了自动测试过程，回复到开机初始状态。所有按键都被再次开启工作。这时可
进行下一次的测试准备工作。
本次测试的数据依然保留在实验仪主机的存贮器中，直到下次测试开始时才被清
除。所以，示波器仍会观测到部分波形。
g、结束查询过程回复初始状加盟幼儿园费用
态
当需要结束查询过程时，只要按下“手动／自动”键，手动测试指示灯亮，查询
过程结束，面板按键再次全部开启。原设置的电压状态被清除，实验仪存储的测试数
据被清除，实验仪回复到初始状态。
建议：“自动测试”应变化两次VF值，测量两组I-V数据。若实验时间允许，还
AG2K
可变化V、V进行多次I-V测试。
G1KG2AAG2K
【数据与结果】
1、在坐标纸上描绘各组IA-VG2K数据对应曲线。
2、计算每两个相邻峰或谷所对应的VG2K之差值△VG2K，并求出其平均值0，将实验值0
与氩的第一激发电位U0=11.61V比较，计算相对误差，并写出结果表达式。
3、请对不同工作条件下的各组曲线和对应的第一激发电位进行比较，分析哪些量发生了变
化，哪些量基本不变，为什么？
思考与讨论
1、F—H实验是如何观测到原子能级变化的?
2、用逐差法求汞原子第一激发态电位平均值C时,对于逐差数据为奇数毛笔字帖楷书入门临摹字帖
个的情况如何计算?
V
3、为什么I－U曲线上的各谷点电流随U的增大而增大？
A
