夫兰克-赫兹实验【实验目的】

本实验通过对氩原子第一激发电位的测量，了解夫兰克和赫兹在研究原子内部能量问题时所采用的基本实验方法；了解电子与氩原子碰撞和能量交换过程的微观图象和影响这个过程的主要物理因素，进一步理解玻尔理论；学习用计算机采集和处理数据。【实验原理】根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值E_i(i=1,2,3‥)，这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态，如图1所示。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差，并满足普朗克频率选择定则：

(为普朗克常数)

本实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁。

本实验采用充氩的夫兰克-赫兹管，基本结构见图2。电子由阴极发出，阴极和第一栅极之间的加速电压及与第二栅极之间的加速电压使电子加速。在板极和第二栅极之间可设置减速电压，注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.5伏的电压，用于消除阴极电子散射的影响。

设氩原子的基态能量为，第一激发态的能量为，初速为零的电子在电位差为的加速电场作用下，获得能量为，具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞，当电子能量时，电子与氩原子只能发生弹性碰撞，由于电子质量比氩原子质量小得多，电子能量损失很少。如果，则电子与氩原子会产生非弹性碰撞，氩原子从电子中取得能量ΔE，而由基态跃迁到第一激发态，。相应的电位差即为氖原子的第一激发电位。

在实验中，逐渐增加，由电流计读出板极电流，得到如图3所示的变化曲线。

【现象解释】

1、夫兰克-赫兹实验中曲线的解释如果我们先不考虑阴极K发射的热电子具有一定的初始能量分布，则：当加速电压时，电子在、空间被加速而获得的能量很低，穿过栅极的电子不能克服拒斥电压到达板极，因而(如图3的0o段)。当时，电子在、空间与氩原子将发生弹性碰撞，碰撞后电子只改变运动方向而无能量损失。因而能够穿过栅极到达板极，且板极电流随着的增大而增大(如图3所示oa段)。当时，电子在栅极附近与氩原子将发生非弹性碰撞，碰撞后电子能量损失耗尽，全部交给氩原子，使氩原子最外层电子跃迁到第一激发态。这些电子因损失能量不能克服拒斥电压，故板极电流将开始减小(如图3所示a处)。当时，在接近栅极但未到栅极处，电子已经获得了的能量，若跟氩原子碰撞将发生非弹性碰撞，电子交出能量使氩原子发生第一激发态的跃迁。碰撞后电子在到达栅极前还要加速一段，获得的动能。此时电子能量不能克服，不会到达极板，且由于的增加，与氩原子发生碰撞的电子会越来越多，故电流将会继续减小(如图所示3所示ab段)。当时，电子再次加速获得的能量，此时电子有足够的动能可以克服拒斥电压到达阳极，随着的增加，与氩原子发生碰撞后，到达阳极板的电子会越来越多，故电流将会随着再次增加(如图3所示bc段)。当时，在、空间的中部电子已经获得了的能量，此时若跟氩原子碰撞，电子将交出能量使氩原子跃迁。碰撞后，电子加速到栅极时再次获得了的能量，这时若跟另外一个氩原子碰撞，电子将再次交出能量使这一个氩原子从基态跃迁到第一激发态。经过两次碰撞后电子损失能量不能克服拒斥电压，板极电流开始减小(如图3所示c处)。再往后重复以上过程。由此可见：(1)、凡当，即加速电压等于氩原子第一激发电位的整数倍时，板流都会相应下跌，形成规则起伏的伏安曲线。(2)、任何两个相邻峰间的加速电位差都应是氩原子的第一激发态电位。所以，只要测出夫兰克-赫兹曲线，即可求出氩原子的第一激发电位，并由此证实原子确实有不连续的能级存在。2、实验中的一些其它现象(1)、接触电位差的影响。实际的F—H管，其阴极与采用不同的金属材料制成，它们的逸出功不同，因此会产生接触电位差。接触电位差的存在，使真正加在电子上的加速电压不等于，而是与接触电位差的代数和。使得整个曲线平移。(2)、由于阴极发射电子后，在阴极表面积聚了许多的电子。这些空间电荷的存在改变了、间的空间电位分布。当较小时，阴极附近会出现负电位，称为虚阴极。负电位的绝对值随的增大而减小。值较大时，虚阴极消失。虚阴极的存在使得曲线的前几个峰(2到3个)的峰间距减小，而对后面的峰无影响。灯丝电压越高，阴极发射的电子流越大，空间电荷的影响越严重。(3)、因为极发出的热电子能量服从麦克斯韦统计分布规律，因此图中的板极电流下降不是陡然的。在极大值附近出现的峰有一定宽度。(4)、当较大时，由于部分电子自由程大，可积累较多的能量。使氩原子跃迁到更高的激发态，甚至使氩原子电离。(5)、电离的发生引起电子繁流，产生电流放大作用。随着的增大，电子繁流迅速增长，使得曲线各峰高度迅速增加。但超过一定值时，将导致管内气体击穿，应避免发生这种情况，否则将使管损坏。【实验装置】ZHY-FH-2智能夫兰克-赫兹实验仪的实验装置如图4所示：

【实验内容】

(1)、用手动方式、计算机联机测试方式测量氩原子的第一激发电位，并做比较。(2)分析灯丝电压、拒斥电压的改变对F—H实验曲线的影响。(3)了解计算机数据采集、数据处理的方法。 【操作步骤】(1)正确认识电路连接及原理；(2)启动预热；(注：预热开始，就必须设定好以下几个值：V灯、VG1K、VG2A，根据仪器给定参数设定，VG2K=30v)(3)正式测量；手动测试；联机测试。 【注意事项】1、  不许拔下仪器前面板上的导线，进行违规连接，以免发生短路，损坏仪器。2、  在设定各电压值时，必须在给定的量程或范围之内设值，如果超出范围，可能会导致烧坏仪器。【数据处理】计算V_C的公式为：相对误差：           【思考与讨论】1、能否用氢气代替氩气？为什么?2、为什么I-U曲线不是从原点开始?3、为什么 I不会降到零?4、为什么I的下降不是陡然的?5、在F-H实验中，得到的I-U曲线为什么呈周期性变化？6在F-H管内为什么要在板极和栅极之间加反向拒斥电压？7、在F-H管的I-U曲线上第一个峰的位置，是否对应于氩原子的第一激发电位？