弗兰克-赫兹实验1了解电子与原子之间的弹性碰撞和非弹性碰撞。2观察实验现象，加深对玻尔原子理论的理解。3由绘制的 IP-VG2 曲线求出氩原子的第一激发电势。1玻尔原子理论的理解；2求氩原子的第一激发电势。讲授、讨论、实验演示相结合。3 个学时一、前言弗兰克-赫兹实验是 1914 年由德国物理学家弗兰克和赫兹设计完成的。该实验研究电子与原子碰撞前后能量的变化，能观测到氩原子的激发电势和电离电势，可以证明原子能级的存在，为波尔的原子结构理论假说提供有力的实验证据。该实验的方法至今仍是探索原子结构的重要手段之一。二、实验仪器F-H 实验装置、示波器。 三、实验原理玻尔的原子模型指出：原子是由原子核和核外电子组成的。原子核位于原子的中心，电子沿着以核为中心的各种不同直径的轨道运动。对于不同的原子，在轨道上运动的电子分布各不相同。图 1 原子结构示意图在一定轨道上运动的电子，具有对应的能量。当一个原子内的电子从低能量的轨道跃迁到较高能量的轨道时，该原子就处于一种受激状态。如图 l 所示，若轨道上为正常状态，则电子从轨道跃迁到轨道时，该原子处于第一激发态；电子跃迁到轨道，原子处于第二激发态。图中，E 1、E 2、E 3分别是与轨道 l、相对应的能量。当原子状态改变时，伴随着能量的变化。若原子从低能级 En态跃迁到高能级 Em态，则原子需吸收一定的能量E：E=E m-En (1)原子状态的改变通常有两种方法：一是原子吸收或放出电磁辐射；二是原子与其他粒子发生碰撞而交换能量。本实验利用慢电子与氩原子相碰撞，使氩原子从正常状态跃迁到第一激发态，从而证实原子能级的存在。由玻尔理论可知，处于正常状态的原子发生状态改变时，所需能量不能小于该原子从正常状态跃迁到第一激发态所需的能量，这个能量称临界能量。当电子与原子相碰撞时，如果电子能量小于临界能量，则电子与原子之间发生弹性碰撞，电子的能量几乎不损失。如果电子的能量大于临界能量，则电子与原子发生非弹性碰撞，电子把能量传递给原子，所传递的能量值恰好等于原子两个状态间的能量差，而其余的能量仍由电子保留。电子获得能量的方法是将电子置于加速电场中加速。设加速电压为 U，则经过加速后的电子具有能量 eU，e 是电子电量。当电压等于 Ug时，电子具有的能量恰好能使原子从正常状态跃迁到第一激发态因此称 Ug为第一激发电势。图 2 实验原理图弗兰克一赫兹实验的实验原理图如图 2 所示。电子与原子的碰撞是在充满氩气的 FH 管(弗兰克一赫兹管)内进行的。F-H 管包括灯丝附近的阴极 K，两个栅极 G1、G 2板极 A。第一栅极 G1靠近阴极 K，目的在于控制管内电子流的大小，以抵消阴极附近电子云形成的负电势的影响。当 FH 管中的灯丝通电时，加热阴极 K，由阴极 K 发射初速度很小的电子。在阴极 K 与栅极 G2之问加上一个可调的加速电势差 VG2，它能使从阴极 K 发射出的电子朝栅极G2加速。由于阴极 K 到栅极 G2之间的距离比较大，在适当的气压下，这些电子有足够的空间与氩原子发生碰撞。在栅极 G 与板极 A 之问加一个拒斥电压 VG2，当电子从栅极 G2进入栅极 G2与板极 A 之问的空间时，电子受到拒斥电压 VG2产生的电场的作用而减速，能量小于 e VG2的电子将不能到达板极 A。当加速电势差 VG2由零逐渐增大时，板极电流 IP 也逐渐增大，此时电子与氩原子的碰撞为弹性碰撞。当 VG2增加到等于或稍大于氩原子的第一激发电势 Ug时，在栅极 G2附近电子的能量可以达到临界能量，因此，电子在这个区域与原子发生非弹性碰撞，电子几乎把能量全部传递给氩原子，使氩原子激发。这些损失了能量的电子就不能克服拒斥电场的作用而到达板极 A，因此板极电流 IP将下降。如果继续增大加速电压 VG2，则在栅极前较远处，电子就已经与氩原子发生了非弹性碰撞，几乎损失了全部能量。但是，此时电子仍受到加速电场的作用，因此，通过栅极后，电子仍具有足够的能量克服拒斥电场的作用而到达板极 A，所以。板极电流 IP又开始增大。当加速电压 VG2增加到氩原子的第一激发电位 Ug的 2 倍时，电子和氩原子在阴极 K 和栅极 G2之问的一半处发生第一次弹性碰撞，在剩下的一半路程中，电子重新获得激发氩原子所需的能量，并且在栅极 G。附近发生第二次非弹性碰撞，电子再次几乎损失全部能量，因此，电子不能克服拒斥电场的作用而到达板极 A板极电流 IP又一次下降。由以上分析可知，当加速电压 VG2满足式(2)VG2 =nUg (2)时，板极电流 IP就会下降。板极电流 IP随加速电压 VG2的变化关系如图 3 所示。从图中可知，两个相邻的板极电流 IP的峰值所对应的加速电压的差值是 11.5V。这个电压等于氩原子的第一激发电势。图 3 IP-VG2曲线图四、实验内容与步骤1、将主机正面板上的“V G2输出”和“I p输出” 与示波器上的“CH1onX”和“CH1onY”相连，将电源线插在主机的后面板的插孔内，打开电源开关。2、将扫描开关调至“自动”挡，扫描速度开关调至“快速” ，把 Ip电流增益波段开关拔至“10nA” 。3、打开示波器电源开关，并分别将“X” 、 “Y”电压调节旋钮调至“1V”和“2V”， “POSITION”调至“x-y”,“交直流”全部打到“DC” 。4、分别调节 VG1、V P、V F电压至主机上部厂家标定数值，将 VG2调节至最大，此时可在示波器上观察到稳定的 IP-VG2曲线。5、将扫描开关拔至“手动”挡，调节 VG2最小，然后逐渐增大其值，寻找 IP值的极大和极小值点，以及相应的 VG2值，即找出对应的极值点（V G2、I P）也即 IP-VG2曲线的波峰和波谷的位置，相邻波峰或波谷的横坐标之差就是氩的第一激发电位。（注：实验记录数据时，I P电流值为表头示值“10nA” ；V G2实际测量值为表头示值“10V” ）6、每隔 1V 记录一组数据，列出表格，然后画出氩的 IP-VG2曲线。五、数据表格及数据处理1数据表格VG2（V） IP（nA）VG2（V） IP（nA）VG2（V） IP（nA）VG2（V） IP（nA）2画出氩的 IP-VG2曲线,求氩的第一激发电位。六、注意事项1、仪器应该检查无误后才接通电源，开关电源前应将各电位器逆时针旋转至最小位置。2、灯丝电压 VP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电压 VG2以免损坏 F-H 管。4、实验完毕，应将各电位器逆时针旋转至最小值。七、教学后记1、本实验要测量的数据较多，强调学生一定要耐心测量。2、强调学生对实验原理的理解，并运用到实验中指导实验的进行。3、实验中示波器的操作也很重要，要求学生能调出 IP-VG2 曲线。4、本实验需要作图处理数据，要求学生能准确地画出 IP-VG2 曲线，并从中找出氩的第一激发电位。