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夫兰克—赫兹实验 中国海洋大学 10 级海洋科学类 张钰 摘要 本实验测量了氩原子第一激发电位，同时分析了灯丝电压、第一栅极电压、反向拒斥 电压和环境温度对曲线的影响。 关键词 夫兰克—赫兹实验，第一激发电位，曲线，影响 1 引言 1913 年, 丹麦物理学家玻尔(N. Bohr)提出了一个氢原子模型, 并指出原子存在能级。该 模型在预言氢光谱的观察中取得显著的成功。根据玻尔的原子理论, 原子光谱中的每根谱线 表示原子从某一个较高能态向另一个较低能态跃迁时的辐射。 1914 年, 德国物理学家夫兰克和赫兹通过实验测量, 发现电子和原子碰撞时会交换某 一定值的能量, 且可以使原子从低能级激发到高能级, 最终证明了玻尔理论的正确。 夫兰克一赫兹实验至今仍是探索原子结构的重要手段。通过夫兰克一赫兹实验, 可以了解在 气体放电现象中低能电子与原子相互作用的思想和方法, 了解碰撞的微观过程与宏观表现 之间的关系, 并可以测量原子的第一激发电位和电离电位。本实验基于实验原理，测量氩元 素的第一激发电位，并讨论不同参数变化时，实验曲线图形的变化的原因。 2 实验原理 玻尔提出的原子理论指出, 原子只能较长时间停留在一些稳定的状态(简称为定态), 各 定态都具有一定的能量, 且能量值彼此分立。原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸 收辐射时, 辐射频率是一定的。如果用Em 和En 分别代表两定态的能量, 辐射的频率决定 于如下关系: (h为普朗克常数） 实验原理如图一所示： 图1 夫兰克-赫兹实验原理图 在充氩的夫兰克- 赫兹管中, 电子由热阴极发出, 阴极K 和第二栅极 G 之间的加速电 2 压UG2K 使电子加速。在板极A 和第二栅极G2 之间加有反向拒斥电压UG2A 。 当加速电压UG2K 从零开始增大时, 板极电流IA 随着增大, 当UG2K 增大到氩原子的第一激 发电位U 时, I 转为下降。说明电子与氩原子发生了第一次非弹性碰撞。随着U 的继续增 0 A G2K 大, 板流IA 又逐渐回升, 当UG2K 增大到2U0 时, IA 又转为下降, 说明电子与氩原子发生了第 二次非弹性碰撞。以此类推, 随着UG2K 的继续增大, 电子会与氩原子发生第三次、第四次非 弹性碰撞, 引起板流IA 的相应下跌, 凡满足加速电压UG2K = nUo( n = 1, 2, 3 )时, 板流IA 都会相应下跌, 形成规则起伏变化的IA ~ UG2K 曲线。 3 实验仪器 FH-2 智能夫兰克-赫兹实验仪一台，计算机一台（含计算机辅助实验系统） 4 实验内容 1. 利用FH-2 智能夫兰克-赫兹实验仪手动测试氩元素的第一激发电位，记录I 和V 的值， A G2K 绘出I ~V 曲线，计算氩元素的第一激发电位。 A G2K 2. 利用智能夫兰克-赫兹实验仪自动测试，直接画出I ~V 曲线，求得氩元素第一激发电位。 A G2K 5 实验结果与分析 5.1 手动测试 本实验仪器的参考参数如下：