夫兰克-赫兹实验原理.docx

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弗兰克 -赫兹实验
【实验目的】
1）测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。
2）分析温度、灯丝电流等因素对F-H （ 夫兰克 -赫兹 ）实验曲线的影响。
3）了解在微观世界中，电子与原子的碰撞存在几率性。
【实验原理】
根据玻尔提出的原子理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态）
，其中每一状
态对应于一定的能量值，
各定态的能量是分立的， 原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差的
能量。如果处于基态的原子要发生状态改变，
所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发
态时所需要的能量。为使原子从低能级
En 向高能级 Em 跃迁，可以通过吸收一定频率
的光子来
实现，其光子的能量由下式决定：
h
Em En
（ ）
其中：普朗克常量 h=×10-34
J· S
也可能通过与具有一定能量的电子碰撞来实现。若与之碰撞的电子是在电势差
U 的加速下，速
度从零增加到 v 并将全部能量交换给原子，则有
eU
1 mv2
Em
En
2
（ ）
由于 Em－ En 有确定的值，对应的 U 就应该有确定的
大小。当原子吸收电子能量从基态跃迁到第一激发态时，
相应的 U 称为第一激发电势。
夫兰克 -赫兹实验原理如图
所示。
实验中原子与电子碰撞是在弗兰克
-赫兹（ F-H ）管内
进行的。一般的夫兰克 -赫兹管是在圆柱状玻璃管壳中沿径
K 、网状栅极
夫兰克 -赫兹实验原理
向或轴向依次安装加热灯丝、阴极
G 及板极
图
A ，有的在阴极 K 和栅极 G 之间还安装有第一阳极
G1。将管内抽取至高真空后，充入高纯氩或
其他元素。管内充以不同元素的气体就可以测出相应元素的激发电势。
设氩原子的基态能量为 E1 ，第一激发态的能量为 E2 ，初速为零的电子在电位差为 U 0 的加速
电场作用下，获得的能量为 eU0。具有这种能量的电子与氩原子发生碰撞， 当电子能量 eU0< E2
－E1 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 eU0 ≥E2 － E1＝ E，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 E，
而由基态跃迁到第一激发态， eU0＝ E 。相应的电位差 U0
即为氩原子的第一激发电位。
在充氩的夫兰克 -赫兹管中，电子由热阴极发出，阴
极 K 和栅极 G 之间的加速电压 UGK 使电子加速。在板极
A 和栅极 G 之间加有减速电压 UAG ，管内电位分布如图
所示， 当电子通过 KG 空间进入 GA 空间时， 如果能
量大于 eUAG 就能