发布时间 : 星期六 文章FD-FH-1夫兰克-赫兹实验仪说明书(050323)更新完毕开始阅读
2、手动测量法
a．调节VG2至最小，扫描开关置于“手动”档，打开主机电源；
b．选取合适的实验条件，置VG1、VP、VF于适当值，用手动方式逐渐增大VG2，同时观察IP变化。适当调整预置VG1、VP、VF值，使VG2由小到大能够出现5个以上峰。
c．选取合适实验点，分别从数字式表头上读取IP和VG2值，再作图可得IP~VG2曲线，注意示值和实际值关系。
例：IP表头示值为“3.23”，电流量程选择“10nA”档，则实际测量IP电流值应该为“32.3nA”；VG2表头示值为“6.35”，实际值为“63.5V”。 四、注意事项
1、仪器应该检查无误后才能接电源，开关电源前应先将各电位器逆时针旋转至最小值位置。
2、灯丝电压VF不宜放得过大，一般在2V左右，如电流偏小再适当增加。 3、要防止F-H管击穿（电流急剧增大），如发生击穿应立即调低VG2 以免F-H管受损。
4、F-H管为玻璃制品不耐冲击应重点保护。
5、实验完毕，应将各电位器逆时针旋转至最小值位置。 五、仪器配置
主机（包括F-H管，扫描电源，微电流放大器等） 1台 示波器 1台（选配） 微机接口 1台（选配） 电源线 1根 Q9线 1根 使用说明书 1份
4
FD-FH-Ⅰ型 夫兰克-赫兹实验仪实验指导书
一、概述
1900年是量子论的诞生之年，它标志着物理学由经典物理迈向近代物理。量子论的基本观念是能量的不连续性，即能量是量子化的。
1914年夫兰克（F.Frank）和赫兹（G.Hertz）在研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子能量的变化有规律，呈现周期性变化，间隔为4.9eV，并拍摄到与能量4.9eV相对应的光谱线253.7nm。对此，他们提出了原子中存在“临界电势”的概念：当电子能量低于与临界电势相应的临界能量时，电子与原子的碰撞是弹性的，而当电子能量达到这一临界能量时，碰撞过程由弹性变为非弹性，电子把这份特定的能量转移给原子使之受激，原子退激时再以特定频率的光量子形式辐射出来，电子损失的能量?E与光量子能量及光子频率的关系为：?E?eV?h?。
夫兰克—赫兹实验用非光学方法证实了原子内部能量是量子化的，为波尔于1913年发表的原子理论提供了坚实的实验基础。是量子论是一个重要实验。
1920年夫兰克及其合作者对原先实验装置做了改进，提高了分辨率，测得了汞的除4.9eV以外的较高激发能级和电离能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的。1925年夫兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。
通过这一实验可以了解到原子内部能量量子化的情况，学习和体验夫兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的实验思想和方法。 二、实验原理
根据玻尔理论原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子，当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能级跃迁到高能级（激发）。如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有：
eV1?1mev2?E1?E0 2电子在电场中获得的动能在和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态，V1称为原子第一激发电势（位）。
5
进行F-H实验通常使用的碰撞管是充汞的，充汞管需要配加热炉用于改变汞的蒸气压。除用充汞的外，还常用充惰性气体的，如充氖，氩等的碰撞管。而这些碰撞管，温度对于气压影响不大，并且只需在常温下就可以进行实验。
对于四级式充氩F-H碰撞管，实验线路连接如图1所示。
VP为灯丝加热电压，VG1为正向小电压，VG2为加速电压,VP为减速电压。 F-H管中的电位分布如图2所示。
图2 电子由阴极发出，经电场VG2加速趋向阳极，只要电子能量达到能克服VP减速电场就能穿过栅极G2到达板极P形成电流IP，由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原子发生碰撞。如果电子能量小于第一激发能eV1，它们之间的碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒原理不难推得电子损失的能量极小，电子能如期的到达阳极。如果电子能量达到或超过eV1，电子与原子将发生非弹性碰撞，电子把能量eV1传给气体原子，要是非弹性碰撞发生在G2附近，损失了能量的电子将无法克服减速场VP到达极板。这样，从阴极发出的电子随着VG2从零开始增加，极板上将有电流出现并增加，如果加速到G2栅极的电
6
子获得等于或大于eV1的能量，将出现非弹性碰撞而出现IP的第一次下降，随着
VG2的增加，电子与原子发生非弹性碰撞的区域向阴极移动，经碰撞损失能量的电子在趋向阳极的途中又得到加速，又开始有足够的能量克服VP减速电压而到达阳极P，IP随着VG2增机又开始增加，而如果VG2的增加使那些经历过非弹性碰撞的电子能量又达到eV1则电子又将与原子发生非弹性碰撞造成IP的又一次下降。在VG2较高的情况下，电子在趋向阳极的路途中会与电子发生多次非弹性碰撞。每当VG2造成的最后一次非弹性碰撞区落在G2栅极附近就会使IP~VG2曲线出现下降，IP随VG2变大出现如此反复下跌将出现如附录中测量所示的曲线。
曲线的极大和极小出现明显的规律性，它是能级量子化能量反复被吸收的结果，也是原子能级量子化的充分体现。就其规律来说，每相邻极大或极小值之间的电位差为第一激发电势（电位）。 三、实验内容
实验测定夫兰克－赫兹实验管的IP~VG2曲线，观察原子能量量子化情况，并由此求出充氩（Ar）管中原子的第一激发电位。
1．连接实验仪器，选择适当的实验条件，如VP～2V，VG1～1V，VP～8V ，用 手动方式改变VG2同时观察微电流计上的IP随VG2的变化情况。如果VG2增加时，电流迅速增加则表明F-H管产生击穿，此时应立即降低VG2。如果希望有较大的击穿电压，可以用降低灯丝电压来达到；
2、适当调整实验条件使微电流计能出现5个峰以上，波峰波谷明显； 3、选取合适的实验点记录数据，使之能完整真实的绘出IP~VG2曲线或用记录 仪记下IP~VG2曲线；
4、处理IP~VG2曲线，求出氩的第一激发电位
处理方法：
a. 用曲线的峰或谷位置电位差求平均值；
7