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不飞则已，一飞冲天；不鸣则已，一鸣惊人。——《韩非子》

一、实验名称：弗兰克-赫兹实验

二、实验目的：

(1)用实验的方法测定汞或者氩原子的第一激发电位，从而证明原子分立态的存在；

(2)练习使用微机控制的实验数据采集系统。

三、实验原理：

根据波尔的原子模型理论，原子中一定轨道上的电子具有一定的能量。当原子吸收或者放出

电磁辐射时或者当原子与其他粒子发生碰撞时，原子状态会发生改变。改变过程中原子的

能量变化不是任意的，而是受到波尔理论的两个基本假设的制约，即定态假设和频率定则。

由波尔理论可知，处于基态的原子发生状态改变时，其所需能量不能小于该原子从基态跃迁

到第一受激态时所需的能量，这个能量称作临界能量。当电子与原子碰撞时，如果电子能量

小于临界能量，则发生弹性碰撞；若电子能量大于临界能量，则发生非弹性碰撞。这时，电

子赋予原子以临界能量，剩余能量仍由电子保留。

本仪器采用1只充氩气的四极管，其工作原理图如下：

当灯丝(H)点燃后，阴极(K)被加热，阴极上的氧化层即有电子逾出(发射电子)，为消

除空间电荷对阴极散射电子的影响，要在第一栅极(G)、阴极之间加之一电压U(一栅、

1G1K

阴电压)。如果此时在第二栅极(G)、阴极间也加之一电压U(二栅、阴电压)，发射的电

2G2K

子在电场的作用下将被加速而取得越来越大的能量。

起始阶段，由于较低，电子的能量较小，即使在运动过程中与电子相碰撞(为弹性碰撞)只

有弱小的能量交换。这样，穿过2栅的电子到达阳极(A)[也惯称板极]所形成的电流(I)

A

板流(习惯叫法，即阳极电流)将随2栅的电压U的增加而增大，当U达到氩原子的第

G2KG2K

一激发电位(11.8V)时，电子在2栅附近与氩原子相碰撞(此时产生非弹性碰撞)。电子把

加速电场获得的全部能量传递给了氩原子，使氩原子从基态激发到第一激发态，而电子本身

由于把全部能量传递给了氩原子，它即使穿过2栅极，也不能克服反向拒斥电场而被折回2

栅极。

所以板极电流I将显著减小，以后随着二栅电压U的增加，电子的能量也随着增加，与氩

AG2K

原子相碰撞后还留下足够的能量。这又可以克服拒斥电场的作用力而到达阳极，这时I又

A

开始上升，直到U是2倍氩原子的第一激发电位时，电子在G和K之间又会因为第2次

G2K2