夫兰克赫兹实验

【实验目的】1、通过实验测定氩原子等元素的第一激发电位（即中肯电位）。

2、理解原子能级的存在及如何跃迁。

【实验仪器】夫兰克-赫兹实验仪 【实验原理】

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ν决定于如下关系：

hν＝ |Em － En| （1）

式中，普朗克常数

h = 6.63 ×10-34 J·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的加速电场作用下，获得能量e U0。当具有这种能量的电子与稀薄氩气的原子发生碰撞时，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，那么当氩原子吸收从电子传递来的能量恰好为

e U0 = E2 － E1 （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（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一所示。在充氩气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。第一栅极对电子加速起缓冲作用，避免加速电压过高时将阴极损伤。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二所示。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极电流（即用“拒斥电压”筛去小能量电子的方法），为微电流计μA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μA表的电流将显著减小。实验时，使UG2A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，就能观察到如图三所示的IA～UG2K曲线。

图三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，电子在KG2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极电流IA 将随第二栅极电压UG2K 的增加而增大（如图三的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（图三所示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 …… ） （3）

的地方板极电流IA都会相应下跌，形成规则起伏变化的IA～UG2K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 ＝11.61V）。

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 eUohhc （4）

hc6.6310343.00108对于氩原子 m1081Å

eUo1.6101911.5【实验内容】

1、手动测量氩元素的第一激发电位

（1）按要求连接夫兰克赫兹管各组工作电源线，检查无误后开机。将实验仪预热20～30分钟。并确认开机后的初始状态(具体内容请见自行下载的ZKY-FH-2夫兰克赫兹实验仪实验指导及操作说明书)。

（2）设置仪器为“手动”工作状态，设定电流量程、设定电压源的电压值（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 ）。

（3）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的电压值调节电压源VG2K，同步记录VG2K值和对应的IA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VG2K电压必须从小到大单向调节，不可在过程中反复；记录完成最后一组数据后，立即将VG2K电压快速归零。

2、自动测量氩元素的第一激发电位

自动测试时进入“计算机辅助实验系统”，设置VF、VG1K、VG2A及电流档位等参数(具体内容请见自行下载的ZKY-FH-2夫兰克赫兹实验仪实验指导及操作说明书)。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；若将将示波器与实验仪相连接，在示波器上也可看到夫兰克一赫兹管板极电流随VG2K电压变化的波形。 【注意事项】

1、为了防止由于连线接错导致误加电压对而夫兰克—赫兹管造成损坏，因此在通电前应反复检查面板连线，确认无误后，再打开主机电源。当仪器出现异常时，应立即关断主机电源。 2、仪器具有输出端短路保护功能，并伴随报警声（断续笛音）。出现报警声时应立即关断主机电源并仔细检查面板连线。输出端短路时间不应超过8S，否则会损坏元器件。 3、灯丝电压不宜过高，否则加快夫兰克—赫兹管老化。 4、VG2K不宜超过85V，否则管子易被击穿。

【数据处理】

1. 手动测量夫兰克—赫兹的IA～UG2K测量数据表1 (20分)

UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA) UG2K (V) IA (mA)

2.用作图软件作出IA～UG2K关系曲线，上传图片。（15分）

3.由所作的图中读出电压峰值填入下表2，计算氩元素的第一激发电位，并求百分差（15分） U1(V) U2-U1(V) U2(V) U3-U2(V) U3(V) U4-U3(V) U4(V) U5-U4(V) U5(V) (V) 百分误差为： %

4、自动测量氩元素的第一激发电位

（1）改变第一加速电压VG1K，自动测量IA～UG2K关系曲线上传图片。（10分）

（2）改变拒斥电压VG2A，自动测量IA～UG2K关系曲线上传图片。（10分）

5、解释图像所蕴含的物理现象，比较三幅图像得出相关的结论。（20分）

[实验结论] (10分)