1、 19141914年，夫兰克（年，夫兰克（J JFrankFrank）和赫兹）和赫兹(G.Hertz)(G.Hertz)用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了和原子碰撞时交换某一定值的能量，直接证明了原子内部量子化能级的存在，证明了原子发生跃原子内部量子化能级的存在，证明了原子发生跃迁时吸收和发射的能量是完全确定的，不连续的。迁时吸收和发射的能量是完全确定的，不连续的。给玻尔的原子理论提供了直接的而且是独立于光给玻尔的原子理论提供了直接的而
2、且是独立于光谱研究方法的实验证据。由于此项卓越的成就，谱研究方法的实验证据。由于此项卓越的成就，他俩获得了他俩获得了19251925年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 本实验是物理中的一个经典实验，曾获本实验是物理中的一个经典实验，曾获诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖一、实一、实 验验 目目 的的 本实验的目的是通本实验的目的是通过测定过测定氖氖原子的第一激原子的第一激发电位，证明原子能级发电位，证明原子能级的存在的存在, ,加深对加深对“量子量子化化”概念的认识。概念的认识。 二、实二、实 验验 原原 理理 1、玻尔原子理论玻尔原子理论 原子只能较长久地停留在一些稳定状态（简称为定原子只能
3、较长久地停留在一些稳定状态（简称为定态），原子在这些状态时，不发射或吸收能量，各定态有态），原子在这些状态时，不发射或吸收能量，各定态有一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过一定的能量，其数值是彼此分隔的。原子的能量不论通过什么方式发生改变，它只能使原子从一个定态跃迁到另一什么方式发生改变，它只能使原子从一个定态跃迁到另一个定态。个定态。 原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射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。如果用时，辐射频率是一定的。如果用E Em m和和E En n代表有关二定态的代表有关二定态的能量，辐射频率能量，辐射频率由如下关系
4、决定：由如下关系决定：式中式中：普朗克常量普朗克常量 h= 6.63 1O-34JS（焦耳（焦耳秒秒） nmEEh2、F-HF-H实验的原理实验的原理 设氖原子基态能量为设氖原子基态能量为E E1 1，第一激发态能量为第一激发态能量为E E2 2，初速为零的电子在电位差为初速为零的电子在电位差为V V0 0的加速电场作用下，获的加速电场作用下，获得能量为得能量为eVeV0 0，使具有这种能量的电子与氖原子发生，使具有这种能量的电子与氖原子发生碰撞：碰撞： 当电子能量当电子能量 eVeV0 0 E E2 2- E- E1 1 时：时： 电子与氖原子只发生弹性碰撞，由于电子质量很电子与氖原子只发生
5、弹性碰撞，由于电子质量很小，电子能量损失很少。小，电子能量损失很少。 如果如果 eVeV0 0 E E2 2- E- E1 1=E =E ， 则电子与氖原子会产生非弹性碰撞。氖原子从电则电子与氖原子会产生非弹性碰撞。氖原子从电子中取得能量子中取得能量EE，而由基态跃迁到第一激发态，而由基态跃迁到第一激发态，eVeV0 0=E=E。相应的电位差。相应的电位差V V0 0即为氖原子的第一激发电即为氖原子的第一激发电位位 原子从低能级向高能级的跃迁，可以通过具有一定原子从低能级向高能级的跃迁，可以通过具有一定能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实现。能量的电子与原子相碰撞进行能量交换的办法来实
6、现。如图，在弗兰克如图，在弗兰克赫兹管中，电子从热阴极赫兹管中，电子从热阴极K K发出，阴发出，阴极和栅极极和栅极g g1,1,g g2 2之间的加速电压之间的加速电压U U1, 1, U U2 2使电子加速。在板使电子加速。在板极极A A和栅极和栅极g g2 2之间加有反向拒斥电压之间加有反向拒斥电压U U3 3。弗兰克弗兰克赫兹管结构图赫兹管结构图电子电子氖原子氖原子K 当电子通过当电子通过KgKg空间进入空间进入gA gA 空间时。如果空间时。如果能量大于能量大于eVeV3 3就能达到板极形成板极电流。如就能达到板极形成板极电流。如果电子在果电子在KgKg空间与氖原子发生了非弹性碰撞空间
7、与氖原子发生了非弹性碰撞后，电子本身剩余的能量小于后，电子本身剩余的能量小于eVeV3 3，则电子不，则电子不能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加能到达板极，板极电流将会随栅极电压增加而减少。而减少。 随着随着V V2 2的增加，电子能量增加，当电子的增加，电子能量增加，当电子与氖原子碰撞后还留下足够的能量，与氖原子碰撞后还留下足够的能量， 可以克可以克服服gAgA空间的减速场而到达板极空间的减速场而到达板极A A时，板极电流时，板极电流又开始上升。如果电子在又开始上升。如果电子在KgKg空间得到的能量空间得到的能量eVeV2E2E时，电子在时，电子在KgKg空间会因二次弹性碰空间会因二次弹
8、性碰撞而失去能量，而造成第二次板极电流下降撞而失去能量，而造成第二次板极电流下降。在在V VgKgK较高的情况下，电子在跑向栅极的路程中，将与较高的情况下，电子在跑向栅极的路程中，将与氖原子发生多次非弹性碰撞。只要满足氖原子发生多次非弹性碰撞。只要满足V VgKgKnVnV0 0(n=1(n=1，2 2，) )，就会发生这种碰撞。在，就会发生这种碰撞。在I IA A-V-VgAgA曲线上将出现多曲线上将出现多次下降。对于氖，曲线上相邻两峰（或谷），对应的次下降。对于氖，曲线上相邻两峰（或谷），对应的V V2 2之差，即为原子的第一激发电位。我们将观察到如之差，即为原子的第一激发电位。我们将观察
9、到如图所示的图所示的I IA A-V-V2 2曲线。曲线。三、实三、实 验验 仪仪 器器 设设 备备整体实验装置整体实验装置弗兰克弗兰克赫兹管赫兹管电源与电流放大装置电源与电流放大装置示波器示波器夫兰克夫兰克- -赫兹管赫兹管板极板极A A栅极栅极G2G2阴极阴极K K灯丝灯丝栅极栅极G1G1数字显示窗功能选择旋钮U2输出UI输出温度，电压，电流选择旋钮I板极电流输入外节电表测试孔PC机接口U2调节U1调节U3调节电源与电流放大装置四、实四、实 验验 内内 容容1 1、调节调节U2U2，U3U3在示波器上显示在示波器上显示U2-IPU2-IP的曲线的曲线单扫描的动态过程请点击下图观看2、采用手
10、动法逐点测量U2-IP的实验过程的实验过程 点击图形观察点击图形观察五、数五、数 据据 处处 理理方法方法1、用待定系数法处理测量数据：用待定系数法处理测量数据： 因为金属电极存在接触电位差因为金属电极存在接触电位差U UJ J，因此测量，因此测量中氖的第一激发电位不是中氖的第一激发电位不是18.6V18.6V，而是存在一定的差，而是存在一定的差距，因此必须进行适当的数据处理。距，因此必须进行适当的数据处理。 设：设： 为各峰值点电压的顺序（为各峰值点电压的顺序（1 1，2 2，3 3） 为各峰值点的栅极电压为各峰值点的栅极电压AUJBU 0 xyUgKKgU则则ABxy从一系列线形方程中计算待定系数从一系列线形方程中计算待定系数 A A，B B从而求从而求出第一激发电位与接触电位差。出第一激发电位与接触电位差。
