一、實驗目的
1、測量氬原子的第一激發電勢，證明原子能級的存在，從而加深對量子化概念的認識。
2、加深對熱電子發射的理解，學習將電子與原子碰撞微觀過程與巨集觀物理量相結合的實驗設計方法。
3、了解微電流的測量方法。
二、實驗儀器
夫蘭克—赫茲實驗儀（含夫蘭克-赫茲管、微電流放大器等）微機等
三、實驗原理
為實現原子從低能級e0向高能級em的躍遷，可以通過吸收一定頻率的光子來實現，為此應有
1)也可通過與具有一定能量的電子碰撞來實現。若與之碰撞的電子是在電勢差u的加速下，速度從零增加到v，並將全部能量交換給原子，則應有：
2)由於具有確定的值，對應的u就應該有確定的大小。當原子吸收電子能量從基態躍遷到第一激發態時，相應的u被稱為第一激發電位(或中肯電位)。因此，第一激發電位就對應於第一激發態與基態的能量差。
處於激發態的原子是不穩定的，它可能以輻射光子的形式釋放能量而自發躍遷到低能級。
當汞原子吸收電子從基態6s10躍遷到第一激發態6p31時，相應的電子加速電壓u=4．9v，即汞原子的第一激發電位是4.9v。汞原子在激發態的平均滯留時間瓦數量級為10-8～10-7秒，因而躍遷到6p31態的原子將很快通過自發輻射躍遷回到基態，輻射光子的能量為hv=el-e0=4.
9v，即輻射波長為253.7nm的紫外光。
實驗中原子與電子碰撞是在夫蘭克一赫茲管(f—h管)內進行的。管內充以不同元素的氣體就可以測出相應元素的第一激發電位。f—h管是個三極體或四極管，現以常見的充汞蒸汽的四極f—h管為例，說明其工作原理。
如圖1所示，四極f—h管包括燈絲f附近的氧化物陰極k，兩個柵極gl，g2和板極a。第一柵極g，靠近陰極k，並加有乙個小正電壓，目的在於控制管內電子流的大小以抵消陰極附近電子雲形成的負電位的影響。第二柵極g2靠近極板a，其間加一減速電壓，使得與原子發生非彈性碰撞、能量損失的電子達不到極板。
g1和g2之間的距離較大，以保證電子與氣體原子有足夠高碰撞機率。
燈絲f加熱陰極k，由k發出大量電子，這些電子經g2、k間電壓的加速獲得能量，它們在g2、k空間與汞原子遭遇碰撞，把部分或全部能量交換給汞原子，在g2、a間經減速電壓減速達到極板a，檢流計指示出板極電壓的大小。與ip的關係曲線如圖2。當<4.
9v時，電子在g2、k空間獲得的能量小於4.9v。實驗表明，電子與汞原子的碰撞是彈性的。
簡單計算可知，在每次碰撞中，電子損失的能量約為其自身能量的10-5倍，即電子幾乎沒有能量損失。隨著上公升，板流即將按真空二極體伏安特性曲線逐漸公升高，當=4．9v時，電子在g2附近將獲得4.9v的能量，這些電子與汞原子的碰撞是非彈性的，因此，將引起共振吸收，電子把能奄全部傳遞給汞原子，自身速度幾乎降為零。
而汞原子則實現了從基態向第一激發態的躍遷。由於減速電壓的作用，失去了能量的電子將不能達到極板，ip陡然下降。
當4.9v<<2×4.9v時，電子在g2、k空間枳蓄的能量一旦達到4.
9v，將與汞原子發生一次非彈性碰撞而損失能量，然後在電場中繼續加速，只不過到達g2時重新獲得的能量小於4.9v，故非彈性碰撞不會再發生，電子將保持其動能不變達到g2，從而克服的阻力到達極板，表現為ip的又一次上公升。
當=2×4．9v時，電子在g2、k間與汞原子進行兩次非彈性碰撞而失去能量，ip
再一次下降。
顯然，每當=n×4.9v(n=l，2，3，…)時，都伴隨著ip的一次突變，出現一次峰值，峰間距為4.9v。連續改變，測出與ip的關係曲線，即可求知汞的第一激發電位。
容易證明，一定時，電子達到極板時能量與在g2、k空間和汞原子碰撞的地點無關。不難預料，當管內汞原子密度較大時，電子積蓄的動能每達到4.9ev，將會與汞原子發生一次非彈性碰撞而失去能量，當比4.
9v大幾倍時，電子與汞原子實現非彈性碰撞就有幾個相應的區域，在這幾個區域中進行能量交換的機率最大。因此被激發到第一激發態的汞原子躍遷回基態時，將形成乙個個可見光環。對於能量大於4.
9ev的激發態，由於電子加速過程中積蓄的能量還未達到這些邀基態的能量之前，就已和汞原子進行了能量交換，實現了汞原子向第一激發態躍遷，所以實現向高激發態的躍遷機率就很小了。
但是，如果f—h管中汞原子密度較小時，由於電子的平均自由程變大，電子有機會使積蓄的能量大於4.9ev，從而使向高激發態的激發機率迅速增加，因而對於高激發態的加速電位，ip會有相應的峰。當電子能量大於10.
4ev時，可以使汞原子電離，出現電離峰。
實際上，由於亞穩態的存在(相應的電位為4.7v，5.47v等等)，以及原子的順次激發，光電效應，二次電子發射，第二類非彈性碰撞，光致激發和光致電力的存在，使過程變得很複雜。
不過，選擇合適的工作條件及合理的資料處理方法，仍可得到滿意的結果。
夫蘭克-赫茲實驗管電勢分布圖
四、實驗內容與步驟
1. 按照實驗要求連線實驗線路，檢查無誤後開機。
2．緩慢將燈絲電壓調至2.5v，第一陽極電壓ug1k調至1.5v，拒斥電壓ug2a調至7.0v，預熱10分鐘。
3． 按機箱蓋標牌上給定的引數，輸入實驗引數，用a方式進行實驗，記錄資料，做ia—ug2k曲線圖，求氬原子的第一激發電位。
4．改變燈絲電壓（調整建議控制在標牌引數的±0.5v範圍內）、第一陽極或拒斥電壓，重複進行實驗，觀察實驗曲線的變化，分析原因。
5．實驗結束，將實驗裝置恢復為原始狀態。
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