1、實驗題目：夫蘭克-赫茲實驗【實驗目的】1、通過實驗測定氬原子等元素的第一激發電位（即中肯電位）。2、理解原子能級的存在及如何躍遷。【實驗儀器】夫蘭克-赫茲實驗儀【實驗原理】 玻爾提出的原子理論指出：原子只能較長地停留在一些穩定狀態（簡稱為定態）。原子在這些狀態時，不發射或吸收能量：各定態有一定的能量，其數值是彼此分隔的。原子的能量不論通過什么方式發生改變，它只能從一個定態躍遷到另一個定態。原子從一個定態躍遷到另一個定態而發射或吸收輻射時，輻射頻率是一定的。如果用Em和En分別代表有關兩定態的能量的話，輻射的頻率決定于如下關系：h |Em En| （1）式中，普朗克常數 h = 6.63 

2、15;10-34 J·s為了使原子從低能級向高能級躍遷，可以通過具有一定能量的電子與原子相碰撞進行能量交換的辦法來實現。設初速度為零的電子在電位差為U0的加速電場作用下，獲得能量e U0。當具有這種能量的電子與稀薄氬氣的原子發生碰撞時，就會發生能量交換。如以E1代表氬原子的基態能量、E2代表氬原子的第一激發態能量，那么當氬原子吸收從電子傳遞來的能量恰好為 e U0 = E2 E1 （2）時，氬原子就會從基態躍遷到第一激發態。而且相應的電位差稱為氬的第一激發電位（或稱氬的中肯電位）。測定出這個電位差U0，就可以根據（2）式求出氬原子的基態和第一激發態之間的能量差了（其他元素氣體原子的第

3、一激發電位亦可依此法求得）。夫蘭克一赫茲實驗的原理圖如圖一所示。在充氬氣的夫蘭克一赫茲管中，電子由熱陰極發出，陰極K和第二柵極G2之間的加速電壓UG2K使電子加速。第一柵極對電子加速起緩沖作用，避免加速電壓過高時將陰極損傷。在板極A和第二柵極G2之間加有反向拒斥電壓UG2A 。管內空間電位分布如圖二所示。當電子通過KG2空間進入G2A空間時，如果有較大的能量（ eUG2A ），就能沖過反向拒斥電場而到達板極形成板極電流（即用“拒斥電壓”篩去小能量電子的方法），為微電流計A表檢出。如果電子在KG2空間與氬原子碰撞，把自己一部分能量傳給氬原子而使后者激發的話，電子本身所剩余的能量就很小，以致通過第

4、二柵極后已不足于克服拒斥電場而被折回到第二柵極，這時，通過微電流計A表的電流將顯著減小。實驗時，使UG2A電壓逐漸增加并仔細觀察電流計的電流指示，如果原子能級確實存在，而且基態和第一激發態之間有確定的能量差的話，就能觀察到如圖三所示的IAUG2K曲線。 圖三所示的曲線反映了氬原子在KG2空間與電子進行能量交換的情況。當KG2空間電壓逐漸增加時，電子在KG2空間被加速而取得越來越大的能量。但起始階段，由于電壓較低，電子的能量較少，即使在運動過程中它與原子相碰撞也只有微小的能量交換（為彈性碰撞）。穿過第二柵極的電子所形成的板極電流IA 將隨第二柵極電壓UG2K 的增加而增大（如圖三的oa段）。當K

5、G2間的電壓達到氬原子的第一激發電位Uo時，電子在第二柵極附近與氬原子相碰撞，將自己從加速電場中獲得的全部能量交給后者，并且使后者從基態激發到第一激發態。而電子本身由于把全部能量給了氬原子，即使穿過了第二柵極也不能克服反向拒斥電場而被折回第二柵極（被篩選掉）。所以板極電流將顯著減小（圖三所示ab段）隨著第二柵極電壓的增加，電子的能量也隨之增加，在與氬原子相碰撞后還留下足夠的能量，可以克服反向拒斥電場而達到板極A ，這時電流又開始上升（ bc段）。直到 KG2間電壓是二倍氬原子的第一激發電位時，電子在KG2間又會因二次碰撞而失去能量，因而又會造成第二次板極電流的下降（cd段），同理，凡在 UGK

6、2 n Uo（ n1，2，3 ） （3）的地方板極電流IA都會相應下跌，形成規則起伏變化的IAUG2K曲線。而各次板極電流IA下降相對應的陰、柵極電壓差Un+1一Un應該是氬原子的第一激發電位Uo。.本實驗就是要通過實際測量來證實原子能級的存在，并測出氬原子的第一激發電位（公認值為 Uo 11.61V）。原子處于激發態是不穩定的。在實驗中被慢電子轟擊到第一激發態的原子要跳回基態，進行這種反躍遷時，就應該有e Uo電子伏特的能量發射出來。反躍遷時，原子是以放出光量子的形式向外輻射能量。這種光輻射的波長為 （4）對于氬原子 Å【實驗內容】 1、手動測量氬元素的第一激發電位（1）按要求連接

7、夫蘭克赫茲管各組工作電源線，檢查無誤后開機。將實驗儀預熱2030分鐘。并確認開機后的初始狀態(具體內容請見自行下載的ZKY-FH-2夫蘭克赫茲實驗儀實驗指導及操作說明書)。（2）設置儀器為“手動”工作狀態，設定電流量程、設定電壓源的電壓值（需設定的電壓源有：燈絲電壓VF、第一加速電壓VG1K、拒斥電壓VG2A ）。（3）按下“啟動”鍵，實驗開始。用 / ，鍵完成 VG2K電壓值的調節，從0.0V起，按步長1V的電壓值調節電壓源VG2K，同步記錄VG2K值和對應的IA值，同時仔細觀察夫蘭克一赫茲管的板極電流值IA的變化（可用示波器觀察）。切記為保證實驗數據的唯一性VG2K電壓必須從小到大單向調節

8、，不可在過程中反復；記錄完成最后一組數據后，立即將VG2K電壓快速歸零。2、自動測量氬元素的第一激發電位自動測試時進入“計算機輔助實驗系統”，設置VF、VG1K、VG2A及電流檔位等參數(具體內容請見自行下載的ZKY-FH-2夫蘭克赫茲實驗儀實驗指導及操作說明書)。進行自動測試時，實驗儀將自動產生VG2K掃描電壓，完成整個測試過程；若將將示波器與實驗儀相連接，在示波器上也可看到夫蘭克一赫茲管板極電流隨VG2K電壓變化的波形。【注意事項】1、為了防止由于連線接錯導致誤加電壓對而夫蘭克赫茲管造成損壞，因此在通電前應反復檢查面板連線，確認無誤后，再打開主機電源。當儀器出現異常時，應立即關斷主機電源。

9、2、儀器具有輸出端短路保護功能，并伴隨報警聲（斷續笛音）。出現報警聲時應立即關斷主機電源并仔細檢查面板連線。輸出端短路時間不應超過8S，否則會損壞元器件。3、燈絲電壓不宜過高，否則加快夫蘭克赫茲管老化。4、VG2K不宜超過85V，否則管子易被擊穿。【數據處理】1. 手動測量夫蘭克赫茲的IAUG2K測量數據表1 (20分)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)UG2K (V)IA (mA)2.用作圖軟件作出IAUG2K關系曲線，上傳圖片。（15分） 3.由所作的圖中讀出電壓峰值填入下表2，計算氬元素的第一激發電位，并求百分差（15分）U1(V)U2(V)U3(V)U4(V)U5(V)U2-U1(V)U3-U2(V)U4-U3(V)U5-U4(V) (V)