一、實驗目的
1、了解弗蘭克--赫茲試驗的原理和方法；
2、學習測定氬原子的第一激發電位的方法；
3、證明原子能級的存在，加強對能級概念的理解。
二、實驗原理
玻爾提出的原子理論指出：原子只能較長地停留在一些穩定的狀態。原子在這種狀態時，不發射或吸收能量。
各定態有一定的能量，其數值是彼此分隔得。原子的能量不論通過什麼方式改變，它只能從乙個狀態躍遷代另乙個狀態。原子從乙個狀態躍遷到另乙個狀態而發射或吸收能量時，輻射的頻率是一定的。
於是有如下關係：
，式中，h為蒲朗克常數。為了使原子從低能級想高能級躍遷，可以通過具有一定能量的電子與燕子相碰撞進行能量交換的辦法來實現。
圖1 弗蘭克-赫茲管結構圖
夫蘭克一赫茲實驗原理(如圖1所示)，陰極k，板極a，g1 、g2分別為第
一、第二柵極。
k-g1-g2加正向電壓，為電子提供能量。的作用主要是消除空間電荷對陰極電子發射的影響，提高發射效率。g2-a加反向電壓，形成拒斥電場。
電子從k發出，在k-g2區間獲得能量，在g2-a區間損失能量。如果電子進入g2-a區域時動能大於或等於e，就能到達板極形成板極電流i.
電子在不同區間的情況：
1. k-g1區間電子迅速被電場加速而獲得能量。
2. g1-g2區間電子繼續從電場獲得能量並不斷與氬原子碰撞。當其能量小於氬原子第一激發態與基態的能級差e＝e2e1 時，氬原子基本不吸收電子的能量，碰撞屬於彈性碰撞。
當電子的能量達到e，則可能在碰撞中被氬原子吸收這部分能量，這時的碰撞屬於非彈性碰撞。e稱為臨界能量。
3. g2-a區間電子受阻，被拒斥電場吸收能量。若電子進入此區間時的能量小於eu g2a則不能達到板極。
由此可見，若eug2k若eug2k＝e則電子在達到g2處剛夠臨界能量，不過它立即開始消耗能量了。繼續增大ug2k，電子能量被吸收的概率逐漸增加，板極電流逐漸下降（如圖2中ab段）。
繼續增大ug2k，電子碰撞後的剩餘能量也增加，到達板極的電子又會逐漸增多（如圖2中bc段）。
若eug2k>ne則電子在進入g2-a區域之前可能n次被氬原子碰撞而損失能量。板極電流i隨加速電壓變化曲線就形成n個峰值，如圖2所示。相鄰峰值之間的電壓差u稱為氬原子的第一激發電位。
氬原子第一激發態與基態間的能級差：e= eu
三、實驗內容及操作步驟
1． 正確連線電路；
2． 啟動預熱；
3． 手動測量；
4. 調節電壓，紀錄資料；
5. 繪製曲線 ；
6. 資料處理。
曲線資料處理：
u1=26.5v u2=37.0v u3=48.5v u4=60.5v
u5=71.5v u6=83.5v u7=96.0v u8=109.0
用逐差法計算第一激發電位可得：
uo=[(u8-u4)+(u7-u3)+(u6-u2)+(u5-u1)]/(4*4)
=[(109.0-60.5)+(96.0-48.5)+(83.5-37.0)+(71.5-26.5)]/(4*4)
=11.71875v
≈11.7v
四、思考題
能否用氫氣代替氬氣，為什麼？
答：不能；氫氣是雙原子分子，激發的能級是分子能級而非原子能級。
1.為什麼i-u曲線不會從原點開始
答：電子由熱陰極發出，剛開始加速電壓主要用於消除陰極電子的散射的影響，後來電子加速，使其具有了較大的能量衝過反向拒斥電場而到達板極形成板流，並為微電流計所檢驗出來，故曲線不是從原點開始的。
2.為什麼t不會降到零？
答：隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子相碰撞後還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場到達板極，這時電流又開始上公升，不致下降到零。
3.為什麼i的下降不是陡然的？
答：因為k極發出的熱電子能量時服從麥克斯韋統計分布規律，因此極電流下降不是陡然的。
4.在f-h實驗中，得到的i-u曲線為什麼呈週期性變化？
答：當g2k間的電壓達到氬原子的第一激發電位u0時電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞，將自己從加速電場中獲得的全部能量給了氬原子，即使穿過了第二柵極也不能克服反向拒斥電場而被駁回第二柵極，所以，板極電流講顯著減小。隨著第二柵極電壓的不斷增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子想碰撞後還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場而達到板極a，這時電流又開始上公升，直到g2k間的電壓是二倍的第一激發電位時，電子在ug2k間又會因第二次碰撞而失去能量，因而又會造成第二次板極電流的下降，同理，凡ug2k之間電壓滿足：
ug2k=nu0(n=1,2,3...)時，板極電流ia都會相應**，形成規則起伏變化的i-u曲線。
5.在f-h管的i-u曲線上的第乙個峰的時候，是否對應於氬原子的第一激發電位？
答：不是，實際的f-h管的陰極和柵極往往是不同的金屬材料製成的，因此會產生接觸電位差。而進入加速區的電子已經具有一定的能量，使真正加到電子上的加速電壓不等於ug2k。
這將影響到f-h實驗曲線第乙個峰的位置，是它左移或右移。
弗蘭克赫茲實驗報告
實驗背景 1914年，德國物理學家夫蘭克和赫茲對勒納用來測量電離電位的實驗裝置作了改進。他們採取慢電子 幾個到幾十個電子伏特 與單元素氣體原子碰撞的辦法，著重觀察碰撞後電子發生什麼變化 勒納則觀察碰撞後離子流的情況 通過實驗測量，電子和原子碰撞時會交換某一定值的能量，且可以使原子從低能級激發到高能級...
弗蘭克赫茲實驗報告
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弗蘭克赫茲實驗內容及要求
題目 弗蘭克 赫茲實驗 本部分實驗內容及要求參照實驗教材 弗蘭克 赫茲實驗 請同學們做好預習。預習思考題 1 原子狀態通常在哪兩種情況下發生改變？2 為什麼ia ug2k曲線呈週期性變化？3 拒斥電壓增大時，ia如何改變？4 掌握弗蘭克 赫茲實驗原理？過程要求 1 熟悉實驗裝置結構和使用方法 5分 ...