弗兰克赫兹实验装置图

1. 夫兰克赫兹实验

夫兰克-赫兹实验被认为是对原子的玻尔模型的实验证明，但有趣的是直到夫兰克和赫兹发表了他们的实验结果之后，他们才知道玻尔模型。这看起来是非常有趣的，夫兰克后来解释道：

We had not read it because we were negligent to read the literature well enough -- and you know how that happens. On the other hand, one would think that other people would have told us about it. For instance, we had a colloquium at that time in Berlin at which all the important papers were discussed. Nobody discussed Bohr's theory. Why not? The reasons is that fifty years ago, one was so convinced that nobody would, with the state of knowledge we had at that time, understand spectral line emission, so that if somebody published a paper about it, one assumed, Probably it is not right. So we did not know it.

当时的人们根本就不相信看上去复杂无比的原子光谱可能会被某个理论解释，如果有人声称解释了原子的发射谱线，当时的物理学家会本能地认为这个理论是错误的。

夫兰克-赫兹实验的装置如下图所示：

水银（汞，Hg）蒸汽被放在真空管内，电子从阴极射出后，被电势V加速，然后到达阳极，阳极是栅栏状的，阳极后面还有一个微弱的反向电压，反向电压比加速电压（V）弱的多，再后面是个集电极。（类似真空三极管，发射极，基极和集电极）

测量的是加速电压（V）和通过集电极电流（I）之间的关系，实验结果如下图：

可见这里存在一个约4.9伏的周期，每4.9伏周期，集电极电流会周期性的变大，达到峰值，然后陡峭地变小。

这4.9伏的周期性可被玻尔模型所解释。根据玻尔模型，原子中存在一系列的定态（stationary states），当原子由一个定态跃迁到另一定态时，可相应地吸收或放出一个光子，并满足频率关系（frequency relation）：。4.9伏的周期性说明在汞原子的第一激发态与基态间能量差是4.9eV。

当加速电压处于0-4.9伏区间时，电子将获得0-4.9eV的动能，电子可能与汞原子发生弹性碰撞或非弹性碰撞，如发生非弹性碰撞电子将损失部分能量，而汞原子将获得部分能量。但根据玻尔模型，小于4.9eV的能量是不足以使汞原子发生跃迁的，因此只能发生弹性散射，电子在弹性散射的过程中并不损失能量，因此当电子达到阳极时具有大于0的动能，可以可以克服反向电压达到集电极，因此表现为有电流，并且随着加速电压的增大，电流也相应增大。

当加速电压正好为4.9伏时，电子具有4.9eV的动能，可与汞原子发生非弹性散射，汞原子被激发到激发态，电子损失4.9eV后动能为0，无法克服反向电压，因此表现为电流急剧下跌。

当加速电压达到两倍4.9伏时，则有可能发生两次电子与汞原子的非弹性散射，因此将出现第二个峰。如果继续增大加速电压，还可能出现更多的峰。如果电子能量大到足以把汞原子激发到更高激发态的能量，则可以出现不是4.9伏周期的峰。

观察夫兰克-赫兹实验的实验曲线，另一特征是电流波谷取值是逐渐变大的，这可以解释为总有部分电子未发生与汞原子的非弹性散射就到达了阳极，从而肯定会到达集电极。发生N+1次非弹性散射的几率要小于只发生N次非弹性散射的几率，因此随着加速电压的增大会有更多的电子以非零动能到达阳极，体现为电流波谷取值越来越高。

还可以考虑更多因素，比如无规则热运动对夫兰克-赫兹实验曲线的影响，将使曲线更加圆滑等等。但这些已经属于实验中不太重要的细节了。

1925年夫兰克和赫兹因夫兰克-赫兹实验共同获得诺贝尔物理学奖。

参考

1. The Franck-Hertz experiment supports Bohr's model
2. Hyperphysics: The Franck-Hertz Experiment
3. The Nobel Prize in Physics 1925

2. 弗兰克—赫兹实验的实验内容

弗兰克—赫兹管（简称F—H管）、加热炉、温控装置、F—H管电源组、扫描电源和微电流放大器、微机—Y记录仪。
F—H管是特别的充汞四极管，它由阴极、第一栅极、第二栅极及板极组成。为了使F—H管内保持一定的汞蒸气饱和蒸气压，实验时要把F—H管置于控温加热炉内。加热炉的温度由控温装置设定和控制。炉温高时，F—H管内汞的饱和蒸气压高，平均自由程较小，电子碰撞汞原子的概率高，一个电子在两次与汞原子碰撞的间隔内不会因栅极加速电压作用而积累较高的能量。温度低时，管内汞蒸气压较低，平均自由程较大，因而电子在两次碰撞间隔内有可能积累较高的能量，受高能量的电子轰击，就可能引起汞原子电离，使管内出现辉光放电现象。辉光放电会降低管子的使用寿命，实验中要注意防止。
F—H管电源组用来提供F—H管各极所需的工作电压。其中包括灯丝电压UF，直流1V～5V连续可调；第一栅极电压UG1，直流0～5V连续可调；第二栅极电压UG2，直流0～15V连续可调。
扫描电源和微电流放大器，提供0～90V的手动可调直流电压或自动慢扫描输出锯齿波电压，作为F—H管的加速电压，供手动测量或函数记录仪测量。微电流放大器用来检测F—H管的板流，其测量范围为10^-8A、10^-7A、10^-6A三挡。
微机X—Y记录仪是基于微机的集数据采集分析和结果显示为一体的仪器。供自动慢扫描测量时，数据采集、图像显示及结果分析用。 玻尔的原子理论指出：①原子只能处于一些不连续的能量状态E1、E2……，处在这些状态的原子是稳定的，称为定态。原子的能量不论通过什么方式发生改变，只能是使原子从一个定态跃迁到另一个定态；②原子从一个定态跃迁到另一个定态时，它将发射或吸收辐射的频率是一定的。如果用Em和En分别代表原子的两个定态的能量，则发射或吸收辐射的频率由以下关系决定：
hv=|Em－En|（1）
式中：h为普朗克常量。
原子从低能级向高能级跃迁，也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来实现。本实验即让电子在真空中与汞蒸气原子相碰撞。设汞原子的基态能量为E1，第一激发态的能量为E2，从基态跃迁到第一激发态所需的能量就是E2－E1。初速度为零的电子在电位差为U的加速电场作用下具有能量eU，若eU小于E2－E1这份能量，则电子与汞原子只能发生弹性碰撞，二者之间几乎没有能量转移。当电子的能量eU≥E2－E1时，电子与汞原子就会发生非弹性碰撞，汞原子将从电子的能量中吸收相当于E2－E1的那一份，使自己从基态跃迁到第一激发态，而多余的部分仍留给电子。设使电子具有E2－E1能量所需加速电场的电位差为U0，则
eu0=E2－E1（2）
式中：U0为汞原子的第一激发电位（或中肯电位），是本实验要测的物理量。
实验方法是，在充汞的F—H管中，电子由热阴极发出，阴极K和第二栅极G2之间的加速电压UG2K使电子加速。第一栅极对电子加速起缓冲作用，避免加速电压过高时将阴极损伤。在板极P和G2间加反向拒斥电压UpG2。当电子通过KG2空间，如果具有较大的能量（≥eUpG2）就能冲过反向拒斥电场而达到板极形成板流，被微电流计pA检测出来。如果电子在KG2空间因与汞原子碰撞，部分能量给了汞原子，使其激发，本身所剩能量太小，以致通过栅极后不足以克服拒斥电场而折回，通过电流计pA的电流就将显著减小。实验时，使栅极电压UG2K由零逐渐增加，观测pA表的板流指示，就会得出如图2所示Ip～UG2K关系曲线。它反映了汞原子在KG2空间与电子进行能量交换的情况。当UG2K逐渐增加时，电子在加速过程中能量也逐渐增大，但电压在初升阶段，大部分电子达不到激发汞原子的动能，与汞原子只是发生弹性碰撞，基本上不损失能量，于是穿过栅极到达板极，形成的板流Ip随UG2K的增加而增大，如曲线的oa段。当UG2K接近和达到汞原子的第一激发电位U0时，电子在栅极附近与汞原子相碰撞，使汞原子获得能量后从基态跃迁到第一激发态。碰撞使电子损失了大部分动能，即使穿过栅极，也会因不能克服反向拒斥电场而折回栅极。所以Ip显著减小，如曲线的ab段。当UG2K超过汞原子第一激发电位，电子在到达栅极以前就可能与汞原子发生非弹性碰撞，然后继续获得加速，到达栅极时积累起穿过拒斥电场的能量而到达板极，使电流回升（曲线的bc段）。直到栅压UG2K接近二倍汞原子的第一激发电位（2U0）时，电子在KG2间又会因两次与汞原子碰撞使自身能量降低到不能克服拒斥电场，使板流第二次下降（曲线的cd段）。同理，凡 （3） 处，Ip都会下跌，形成规则起伏变化的Ip～UG2K曲线。而相邻两次板流Ip下降所对应的栅极电压之差，就是汞原子的第一激发电位U0。
处于第一激发态的汞原子经历极短时间就会返回基态，这时应有相当于eU0的能量以电磁波的形式辐射出来。由式（2）得
eU0=hν=h·c/λ（4）
式中：c为真空中的光速；λ为辐射光波的波长。
利用光谱仪从F—H管可以分析出这条波长λ=253.7（nm）的紫外线。
附：几种常见元素的第一激发电势(U0) 元素 钠(Na) 钾(K) 锂(Li) 镁(Mg) 汞(Hg) 氦(He) 氖(Ne) U0/V 2.12 1.63 1.84 3.2 4.9 21.2 18.6 1）测绘F—H管Ip～UG2K曲线，确定汞原子的第一激发电位
（1）加热炉加热控温。将温度计棒插入炉顶小孔，温度计棒上有一固定夹用来调节此棒插入炉中的深度，固定夹的位置已调整好，温度计棒插入小孔即可。温度计棒尾端电缆线连接到“传感器”专用插头上，将此传感器插头插入控温仪后面板专用插座上。接通控温电源，调节控温旋钮，设定加热温度（本实验约180℃），让加热炉升温30min，待温控继电器跳变时（指示灯同时跳变）已达到预定的炉温。
（2）测量F—H管的Ip～UG2K曲线。实验仪的整体连接可参考图3，将电源部分的UF调节电位器、扫描电源部分的“手动调节”电位器旋钮旋至最小（逆时针方向）。扫描选择置于“手动”挡。微电流放大器量程可置于10-7A或10-8A挡（对充汞管）。待炉温到达预定温度后，接通两台仪器电源。根据提供的F—H管参考工作电压数据，分别调节好UF、UG1、UG2，预热3～5min。
（a）手动工作方式测量。缓慢调节“手动调节”电位器，增大加速电压，并注意观察微电流放大器出现的峰谷电流信号。加速电压达到50V～60V时约有10个峰出现。在测量过程中，当加速电压加到较大时，若发现电流表突然大幅度量程过载，应立即将加速电压减少到零，然后检查灯丝电压是否偏大，或适当减小灯丝电压（每次减小0.1V～0.2V为宜）再进行一次全过程测量。逐点测量Ip～UG2K的变化关系，然后，取适当比例在毫米方格纸上作出Ip～UG2K曲线。从曲线上确定出Ip的各个峰值和谷值所对应的两组UG2K值，把两组数据分别用逐差法求出汞原子的第一激发电位U0的两个值再取平均，并与标准值4.9V比较，求出百分差。若在全过程测量中，电流表指示偏小，可适当加大灯丝电压（每次增大0.1V～0.2V为宜）
（b）自动扫描方式测量。将“手动调节”电位器旋到零，函数记录仪先不通电，调节“自动上限”电位器，设定锯齿波加速电压的上限值。可先将电位器逆时针方向旋到最小，此时输出锯齿波加速电压的上限值约为50V，然后将“扫描选择”开关拨到“自动”位置。当输出锯齿波加速电压时，从电流表观察到峰谷信号。锯齿波扫描电压达到上限值后，会重新回复零，开始一次新的扫描。在数字电压表、电流表上观察到正常的自动扫描及信号后，可采用函数记录仪记录。记录仪的X输入量程可置于5V/cm档，Y输入量程可按电流信号大小来选择，一般可先置于0.1V/cm档。开启记录仪，即可绘出完整的Ip变化曲线。 （1）实验装置使用220V交流单相电源，电源进线中的地线要接触良好，以防干扰和确保安全。
（2）函数记录仪的X输入负端不能与Y输入的负端连接，也不能与记录仪的地线（⊥）连接，否则要损坏仪器。
（3）实验过程中若产生电离击穿（即电流表严重过载现象）时，要立即将加速电压减少到零。以免损坏管子。
（4）加热炉外壳温度较高，移动时注意用把手，导线也不要靠在炉壁上，以免灼伤和塑料线软化。

3. 弗兰克—赫兹实验的详细信息

1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克（JamesFranck，1882—1964）和哈雷大学的G.赫兹（Gustav Hertz，1887—1975），以表彰他们发现了原子受电子碰撞的定律。
弗兰克－赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持。弗兰克擅长低压气体放电的实验研究。1913 年他和G.赫兹在柏林大学合作，研究电离电势和量子理论的关系，用的方法是勒纳德（P.Lenard ）创造的反向电压法，由此他们得到了一系列气体，例如氦、氖、氢和氧的电离电势。后来他们又特地研究了电子和惰性气体的碰撞特性。1914年他们取得了意想不到的结果，他们的结论是：
（1）汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止；
（2）此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V的加速；
（3）可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为2536 的汞谱线的能量子；
（4）4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势。
弗兰克和G.赫兹的实验装置主要是一只充气三极管。电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场。电子多穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流计测量。当电子管中充以汞蒸气时，他们观测到，每隔4.9V电势差，板极电流都要突降一次。如在管子里充以氦气，也会发生类似情况，其临界电势差约为21V。
弗兰克和G.赫兹最初是依据斯塔克的理论，斯塔克认为线光谱产生的原因是原子或分子的电离，光谱频率ν与电离电势V有如下的量子关系：hν=eV。
弗兰克和G.赫兹在 1914年以后有好几年仍然坚持斯塔克的观点，他们相信自己的实验无可辩驳地证实了斯塔克的观点，认为4.9V电势差引起了汞原子的电离。他们也许因为战争期间信息不通，对玻尔的原子理论不甚了解，所以还在论文中表示他们的实验结果不符合玻尔的理论。其实，玻尔在得知弗兰克－赫兹的实验后，早在1915年就指出，弗兰克－赫兹实验的4.9V正是他的能级理论中预言的汞原子的第一激发电势。
1919年，弗兰克和G.赫兹表示同意玻尔的观点。弗兰克在他的诺贝尔奖领奖词中讲道：“在用电子碰撞方法证明向原子传递的能量是量子化的这一科学研究的发展中，我们所作的一部分工作犯了许多错误，走了一些弯路，尽管玻尔理论已为这个领域开辟了笔直的通道。后来我们认识到了玻尔理论的指导意义，一切困难才迎刃而解。我们清楚地知道，我们的工作所以会获得广泛的承认，是由于它和普朗克，特别是和玻尔的伟大思想和概念有了联系。”
弗兰克1882年8 月26日出生于汉堡。他在这里上了威廉中学后，在海德堡大学学了一年化学，后来又在柏林大学学物理。在这里，他的主要导师是瓦尔堡和德鲁德（P.Drude）。1906年在瓦尔堡的指导下，1902年入柏林大学学习物理学，1906年获博士学位。在法兰克福大学担任助教不久，又返回柏林大学任鲁本斯（H.Rubens）的助教。1911年获得柏林大学物理学“大学授课资格”，在柏林大学讲课直到1918年（由于战争而中断了教学。战争中曾获一级铁十字勋章），后成为该大学的物理学副教授。1917年起任威廉皇帝物理化学研究所的分部主任。1921年受聘为格丁根大学教授，并担任第二实验物理学研究所主任。1933年为抗议希特勒反犹太法，弗兰克公开发表声明并辞去教授职务，离开德国去哥本哈根；一年后移居美国，成为美国公民。1935年— 1938年任约翰·霍布金斯大学物理系教授。1938年起任芝加哥大学物理化学教授，直到1949年退休。第二次世界大战期间，他参加了研制原子弹有关的工程，但与大多数科学家一样，他反对对日本使用原子武器。在芝加哥大学期间，弗兰克还担任该校光合作用实验室主任，对各种生物过程、特别是光合作用的物理化学机制进行了研究。
1964年弗兰克在访问格丁根时于5月21日逝世。
G.赫兹1887年7月22日出生于汉堡。他是电磁波的发现者H.赫兹的侄子。赫兹在汉堡的约翰尼厄姆学校毕业后，于1906年进入格丁根大学，后来又在慕尼黑大学和柏林大学学习，1911年毕业。1913年任柏林大学物理研究所研究助理。由于爆发了第一次世界大战，赫兹于1914年从军，1915年在一次作战中负重伤，1917年回到柏林当校外教师。1920年到1925年间，赫兹在埃因霍温的菲利普白炽灯厂物理研究室工作。 1925年赫兹被选为哈雷大学的教授和物理研究所所长。 1928年回到柏林任夏洛腾堡工业大学物理教研室主任。1935年由于政治原因辞去了主任职务，又回到工业界，担任西蒙公司研究室主任。从1945年到 1954年在苏联工作，领导一个研究室，这期间他被任命为莱比锡卡尔·马克思大学物理研究所所长和教授。1961年退休，先后在莱比锡和柏林居住。
从研究课题来说，赫兹早年研究的是二氧化碳的红外吸收以及压力和分压的关系。1913年和弗兰克一起开始研究电子碰撞。1928年，赫兹回到柏林的第一个任务是重建物理研究所和学校。他为这一目标不停地工作。在此期间，他负责用多级扩散方法分离氖的同位素。
G.赫兹发表了许多关于电子和原子间能量交换的论文和关于测量电离电势的论文。有些是单独完成的，有些是和弗兰克、克洛珀斯合作的。他还有一些关于分离同位素的著作。
G.赫兹是柏林德国科学院院士，1975年在柏林去世。

4. 图中的第三四题，哪位大神知道，弗兰克赫兹实验

3，V越大，二次发射电子越多，从而使原子电离形成本底电流
4，汞蒸气和热阴极金属氧化物间有接触电势的存在

5. 弗兰克赫兹实验误差分析是什么

此实验主要由以下几点产生误差：由于预热不足，使测量值产生误差；在实验时，由于电压的步差不可能连续，故测量的峰值会有一定的误差；由于仪器老化，数据不够精确；画出氩的IP-VG2曲线是一个比较粗糙的过程，容易产生误差；需要测量的数据较多，容易计算错误。

1924年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克（JamesFranck，1882—1964）和哈雷大学的G.赫兹（Gustav Hertz，1887—1975），以表彰他们发现了原子受电子碰撞的定律。

弗兰克－赫兹实验为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持。弗兰克擅长低压气体放电的实验研究。1913 年他和G.赫兹在柏林大学合作，研究电离电势和量子理论的关系。

用的方法是勒纳德（P.Lenard ）创造的反向电压法，由此他们得到了一系列气体，例如氦、氖、氢和氧的电离电势。后来他们又特地研究了电子和惰性气体的碰撞特性。1914年他们取得了意想不到的结果，他们的结论是。

汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，直到取得某一临界速度为止；此临界速度可测准到0.1V，测得的结果是：这速度相当于电子经过4.9V的加速；可以证明4.9伏电子束的能量等于波长为2536 的汞谱线的能量子；4.9伏电子束损失的能量导致汞电离，所以4.9伏也许就是汞原子的电离电势。

弗兰克和G.赫兹的实验装置主要是一只充气三极管。电子从加热的铂丝发射，铂丝外有一同轴圆柱形栅极，电压加于其间，形成加速电场。电子多穿过栅极被外面的圆柱形板极接受，板极电流用电流计测量。当电子管中充以汞蒸气时，他们观测到，每隔4.9V电势差，板极电流都要突降一次。如在管子里充以氦气，也会发生类似情况，其临界电势差约为21V。

6. 做弗兰克赫兹实验 怎么测量原子的第一激发电位

当出现光滑曲线的时候，记录峰值或波谷值，五个以上。用逐差法v6＋v5＋.v4－v3－v2－v1 除以9 得出的就是激发电位。

实验表明原子是分能级的，而电离电位是指将原子完全电离所对应的电位，此时的原子的状态被称为等离子态，核外电子成为自由电子。这里所就要的能量相当的大，氢原子成为等离子态需要至少5000摄氏度的环境温度维持，而核结构更加复杂的Ar原子的等离子态的维持温度会更高。

核外电子在受激发后会发生跃迁，因为电子的能量较小，实验中加速电压也是逐渐增加，所以当电子的能量达到Ar原子第一激发电势，电子与Ar原子的碰撞成为非弹性碰撞，能量便会发生吸收，此电子将没有足够能量经过拒斥电压到达接收板。

而接收板上所受到的电子，这时接收板上所接到的电流第一次下降到波谷。

(6)弗兰克赫兹实验装置图扩展阅读：

阴极与栅极之间的加速电压是可以调整的。通过电流将钨丝加热，钨丝会发射电子。由于阴极的电势高于钨丝的电势，阴极会将钨丝发射的电子往栅极方向送去。因为加速电压作用，往栅极移动的速度和动能会增加。

到了栅极，有些电子会被吸收；有些则会继续往阳极移动。通过栅极的电子，必须拥有足够的动能，才能够抵达阳极；否则，会被栅极吸收回去。装置于阳极支线的安培计可以测量抵达阳极的电流。

7. 弗夫兰克 赫兹实验 中两个栅极的作用是什么

UG不是指极板前面的反向电场。整个弗兰克赫兹管的四个极按如下顺序排列：
阴极K---控制栅极G1------栅极G2---极板P
其中扫描电压加在G2和K之间，而UG则是加在G1和K之间，反向电压是加在G2和P之间的（不过有的实验装置貌似是没有控制栅极G1的）。课本上说增加G1是为了消除空间电荷对电子发射的影响，提高发射效率。实验的时候发现Ip和UG的关系如一楼所讲，按理来说Ip随UG的增大而增大是可以理解的，但后来Ip随UG的增大而减小就不好解释了

8. 弗兰克-赫兹实验相关问题

在丹麦物理学家玻尔（N.Bohr）开创性地发表原子定态跃迁的量子理论后的第二年(1914年)，德国物理学家弗兰克（J.Frank）和赫兹（G.L.Hertz）在研究低能电子和原子的相互作用时发现，当电子和原子发生非弹性碰撞时，电子会把特定大小的能量转移给原子并使之受激，由此证明了原子内部量子化能级的存在。同一年，在使用石英制作的F-H管中，拍摄到了对应汞原子激发所需的最低能量的光谱线，由此验证了玻尔理论中的频率法则。1920年，弗兰克及其合作者又在改进的装置中测得了原子的亚稳能级和较高的激发能级，进一步证实了原子具有离散能级的概念。显然，他们的实验为玻尔理论提供了独立于光谱研究方法的直接而有力的实验依据，为此他俩荣获1925年度的诺贝尔物理学奖，至今他们的实验方法仍是探索原子结构的重要手段之一。【实验目的】1．测定汞原子的电离电势。2．测定汞原子的第一激发电势，证明原子能级的存在。3．通过本实验，了解实验中的宏观量是如何与电子和原子碰撞的微观过程相联系，并进而用于研究原子的内部结构（通过本实验了解弗兰克-赫兹实验的物理思想和方法）。【实验原理】根据玻尔提出的量子理论，原子处于一系列不连续的能量状态，这些状态称为定态，具有确定的能量值。原子从一个定态向另一个定态的跃迁常伴随着电磁波（光）的吸收或辐射，光的频率取决于发生跃迁的二个定态En、Em之间的能量差，由能量守恒定律可得如下频率法则式中h为普朗克常量。在正常情况下，绝大部分原子处于基态（最低能态），当原子吸收电磁波或受到其它具有足够能量的粒子的碰撞时，可由基态跃迁到能量较高的一系列激发态。从基态跃迁到第一激发态的所需的能量称为临界能量，为最低能量；从基态到电离所需的能量称为电离能量，为最高能量。弗兰克及赫兹就是利用了低能电子和原子碰撞时交换能量的规律来研究原子的能级结构的。1．关于激发电势本实验用电场加速电子，并使之与稀薄气体的汞原子发生碰撞。初速度为零的电子在电势为U的加速电场作用下将获得能量eU，当此能量小于汞原子激发的临界能量时，电子与汞原子的碰撞为弹性碰撞。由于电子的质量远小于汞原子的质量，故碰撞后，电子的能量几乎没有损失。如果碰撞时电子的能量大小汞原子激发所需的临界能量，汞原子就会有一定的概率从电子那里获得能量，并从基态E1跃迁到第一激发态E2，也即电子和汞原子发生了非弹性碰撞，电子损失特定大小的能量E2-E1 = eU0，汞原子获得此能量并跃迁到高一级能态，这个电势差U0称为汞原子的第一激发电势，测出U0就可以求出汞原子的基态和第一激发态之间的能量差。实验中电子和原子的碰撞是在密封的玻璃管子内进行的，管子密封前抽真空后充汞（或其它物质），管中装有阴极、栅极和板极（阳板），这种实验用的真空三极管称为弗兰克-赫兹管（F-H管）。现在四极的F-H管也很普遍，常用以测量汞（或其它）原子的一系列较高的激发能级，于此我们仅说明三极的F-H管的工作原理。图5.11-1 弗兰克-赫兹实验原理图 图5.11-2 IA~UGK 曲线
弗兰克-赫兹实验的工作原理如图5.11-1所示，F-H管放在温控加热炉中，温控器可使实验温度在80~220℃取值，在实验温度下，管中的部分汞由液态转化气态，电子由热阴极发出，并由阴极K和栅极G之间的可调电压UGK加速而获得能量。在测量汞原子的第一激发电势时，开关接通a端（相当于微电流测量放大器面板上的“工作状态”开关拨向“R”档），实验温度应大于130℃，电子向栅极过程中将不断与气体原子发生碰撞。实验装置的巧妙之处在于收集电子的板极A与栅极G之间设置了一个2V左右的反向电压，称为拒斥电压UGA，此电压对在K-G空间内与汞原子发生碰撞的电子进行筛选，经过碰撞通过栅极进入GA之间的电子，其剩余动能必须大于eUGA才能克服电场的阻力到达板极A而形成电流，这样板极电流（板流）IA的大小就同电子在与气体原子碰撞过程中的能量损失联系起来了。实验时，逐渐增加栅极和阴极之间的栅极（加速）电压UGK，测量板流IA随UGK的变化，可得如图5.11-2所示的IA~UGK曲线。该曲线的明显特征是随UGK的增加，板流IA总体上是逐渐增加的，但清楚地显示出一系列极大值和极小值，并且各极大值或极小值之间的间隔均在4.9V左右。下面我们对上述曲线形状以及影响曲线各因素进行说明。加速电压UGk从零刚开始升高直到接近于汞原子的第一激发电势U0时，由于电子与汞原子的碰撞为弹性碰撞，电子几乎不损失能量，板流IA随UGK的升高而升高。当UGK的等于或稍大于U0时，开始有部分电子在栅极附近与汞原子发生非弹性碰撞，并把几乎全部的能量交给汞原子使之激发，这些损失了能量的电子不能克服拒斥电压阻挡而折回到栅板，从而使板流IA开始变小。继续增加UGK，更多的电子与汞原子发生了非弹性碰撞并损失eU0的能量，由于拒斥电压的阴挡，这些损失了能量的电子都不能到达板极形成电流，故板流IA继续变小。直到UGK≥U0+UGA时，才开始有部分通过非弹性碰撞的电子有稍大于eUGA的剩余动能，并能克服拒斥电压阻档到达板极，也即此时板流IA开始上升。当UGK≥2U0时，部分电子有可能在K-G空间中历经二次非弹性碰撞（此时第一次非弹性碰撞显然不在栅极附近）而耗尽能量，板流IA出现第二次下降；当UGK≥2U0+UGA时，损失了2eU0能量的电子开始有部分因具有足够的能量到达板极，从而板流IA又开始上升。类似地，就得到了多峰（谷）的IA~UGK曲线，如图5.11-2所示。峰值处的电压UGK近似地等于nU0，谷值处的电压UGK近似地等于nU0+UGA，峰（谷）间的距离刚好均为U0。如此周期性变化曲线的出现，表明原子和电子发生非弹性碰撞时，原子吸收的能量是一定的，也即原子内部存在着量子化的能级。从上述分析，我们也可以理解拒斥电压UGA对IA~UGK曲线有很大的影响：UGA偏小时，起不到对经历非弹性碰撞的热电子的筛选作用，导致极小值太大，峰谷差值也将变小；UGA偏大时，大部分电子将会被筛选掉，导致极大值太小，峰谷现象不明显。实验表明，UGA取适中值2V左右为好。需要指出的是：各电子的能量在任何时刻都不是完全相等的，而是按一定的统计规律分布的，电子和原子的碰撞也是个偶然的微观事件，由于原子在与足够能量的电子发生碰撞时被激发到某一能态上的概率既与此激发态的能级大小有关，也与碰撞电子的能量大小有关。例如，当电子的能量稍大于eU0时，汞原子被激发到第一激发态的概率很大，而激发到其它能级上的概率为零；当电子的能量明显大于eU0，汞原子被激发到第一激发态的概率明显变小，而激发到其它允许能态的概率明显增大；当电子的能量大于汞原子的电离能量时，碰撞的结果主要是使汞原子电离，当然，其它许多允许的事件，仍有不等的一定的概率发生。我们还必须注意到，电子在从阴极运动到栅极的过程中，由于与汞原子频繁的碰撞，使得其沿KG方向迂回曲折地前进。容易理解，电子的加速过程（获得能量的过程）是以其自由程为间隔分段进行的，而电子的平均自由程与汞原子数密度有关。当温度升高时，饱和汞蒸气原子数密度明显增加，电子的平均自由程很小，碰撞频率很大。需要记住的是，即使是弹性碰撞，电子与汞原子碰撞时仍约有10-5的原有能量的损失，不要小视这个数，因为电子的平均自由程也很小（10-7~10-5m），电子只有在一个自由程内从电场中获得的能量大于它经历一次弹性碰撞所损失的能量，才有可能积累到足够的能量。因此要使汞原子被激发，饱和气体的温度不能太高，电场不能太小。当温度适宜时（一般在140~220℃），电子积累的能量可以大于eU0的能量。但此时，由于自由程较小以及与汞原子频繁的（非）弹性碰撞，电子很难有机会达到远大于eU0的能量。当温度低至70~90℃时，由于电子平均自由程的明显增加，部分电子可能会积聚更大的能量去激发汞原子到更高能级，甚至使其电离。由此可见，实验中使F-H管维持在一定的温度是非常重要的。需要特别指的是：由于阴极发射的热电子的初动能大于零，阴极与栅极由于材料不同而存在的接触电势差，使整个IA~UGK曲线发生了偏移，各个峰（谷）不在原定之处，但任两个相邻峰（谷）之间的间距依旧为U0。实际上，由于汞原子亚稳态能级的存在，以及原子的顺次（逐级）激发（即处于激发态的原子在退激之前与电子再次发生非弹性碰撞并被激发到更高能级）、光电效应、光致激发和光致电离的存在，使得整个过程变得很复杂，同时也使相当一部分的汞原子被激发到更高的能级甚至被电离。在能量交换频繁的若干区域中将见到一个个淡蓝色光环，它明显地反映出了汞的光谱特性。这是那些被激发到高能级上的汞原子返回低能态时所辐射的可见光。当然，实验室用的F-H管大多是玻璃的，它对紫外线是不透明的，所以无法摄到对应临界能量的紫外光，其波长 nm。但弗兰克-赫兹用能透过紫外光的石英制作的F-H管进行实验时发现，当加速电压UGK小于4.9V时无任何辐射现象，当UGK稍大于4.9V时，汞辐射了，而且辐射的谱线正是波长为2.5×102nm的紫外光。最后我们指出，灯丝电压对曲线影响也较大：灯丝电压过大，导致阴极温度偏高，阴极发射的电子数过多，这将会使微电流放大器饱和，引起IA~UGK曲线阻塞，同时也使F-H管更易全面击穿；灯丝电压过小，参加碰撞的电子数太少，造成曲线峰谷很弱。实验中一般取灯丝电压为6.3V左右。2．关于电离电势当电子的能量达到或超过汞原子的电离能WZ = eUZ（UZ称为原子的电离电势）时，与汞原子碰撞的结果将使汞原子电离，利用F-H管测量汞原子电离电势的方法有两种，我们仅介绍离子流探测法。图5.11-3 离子电流IA~UGK曲线离子流探测法的工作原理如图5.11-1所示，此时开关K拨向b端（相当于微电流测量放大器面板上“工作状态”开关拔向“I”档），扳极A相对阴极K处于负电势。从阴极出来的电子加速运动至栅极后受到更大数值的减速电压的阻挡而到不了板极A，只有带正电的粒子才有可能到板极A而形成离子电流IA。此时炉温需降至80~90℃，汞原子数密度很小，电子的平均自由程很大，从阴极出来的部分经历碰撞最少的电子在加速电压UGK的作用下将获得能量eUGK，当此能量达到或超过汞原子的电离能WZ时，将使汞原子发生电离，板极收集到离子流。由于电离是雪崩式的，无控制时离子流随UGK的增加而迅速增大，实验结果大致如图5.11-3所示，曲线的拐点处即为电离电势，汞的电离电势约在10.4V左右。【实验仪器】FH-1A型弗兰克-赫兹实验仪一套：包括加热炉、弗兰克-赫兹管及微电流测量放大器等。【实验内容】1．预热和调整（1）将装有充汞F-H管的温控加热炉接通电源，选择一定的炉温（由实验室定），调好温控旋钮，预热15~30分钟，以得到合适的汞蒸汽密度。（2）同时接通微电流测量放大器电源，进行预热。将仪器的“栅压选择”开关拨向“M”（锯齿波自动扫描电压），此时电压表指针会缓慢上升到某值时突然变小并重新再缓慢上升。然后将“栅极电压Ug”旋钮逆时针旋至最小，把“栅压选择”开关拨向“DC”，待预热20分钟后，将“工作状态”拨向“R（激发）”，对电流表进行“零点”和“满度”校准。调零与满度之间略有牵连，故需反复调节。（3）用万用表调节UGA，使其为直流2.2V左右，记下UGA。（4）把“栅极电压Ug”旋钮至最小，“栅压选择”和“工作状态”拨向“0”，用随机所附专用连接线通测量放大器加热炉面板上各对应电极（注意！绝不能让G、K、H接反或短路），并用万用表检查K、H的灯丝电压是否为交流6.3V.2．测量汞原子的电离电势UZ待加热炉稳定在所需温度（约８０℃），微电流测量放大器工作稳定，弗兰克－赫兹管充分预热后，即可先进行电离电势的逐点测量。（１）先进行粗略观察。“工作状态”拨向“Ｉ（电离）”，“倍率”档为×10-5，旋动“栅压调节”旋钮，缓慢增大UGK的数值，全面观察一次IA的变化情况。当电流IA变化明显（注意“倍率”档的更换）且从加热炉玻璃窗口看到炉内Ｆ-H管的K-G空间开始出现淡淡的蓝色辉光时，表示管内汞原子已经电离，此时，不可再增大UGK以免过度电离（过度电离时F-H管的发出强烈的蓝光）导致管子严重受损，应立即将其调小至零。（2）再从零起仔细调节UGK，测量并记录一系列UGK对应的IA值。当电流明显变化时，测量结束，将“栅极电压Ug”调至最小。注意在电流开始变化处多测几个点，以便能比较精确地找出曲线的折拐点。3．测量汞原子的第一激发电势U0测定电离电势后，将“工作状态”开关拨向“R（激发）”，再调节加热炉的温控开关，使炉温升至180℃，待其稳定后，即可进行激发电势测量。（1）先进行全面观察。暂将“倍率”拨到×10-6或×10-5档，缓慢增加UGK的值，全面观察一次IA的变化情况。注意要及时更换倍率以适应电流变化。（2）测量IA～UGK曲线。使UGK从零起缓慢增加，记录下电流IA及对应UGK（即Ug）的电压值，特别地，应认真找到并读出IA的峰谷值及对应的各个UGK值，为便于作图，在各峰谷值附近应多测几个点，记下各测试条件。（3）分别改变炉温（如140℃、220℃）或（稍许）改变拒斥电压的大小，再测几条IA～UGK曲线的影响。4．用示波器观察IA～UGK图形（本实验内容可根据实验室情况选作）（1）将示波器的Y轴接到微电流测量放大器后盖输出端，Y轴增益用“×1”档，扫描速度要慢些。（2）炉温要升到200℃以上，以免F-H管严重击穿。（3）放大倍率用×10-4或10-3档，即电表的灵敏度不需太高。（4）将“栅压选择”拨向“M”，即可在示波器屏上看到IA~UGK图线，记录波形与逐点测量的图线比绞（扫描时间要尽可能短）。5．用X～Y函数记录仪描绘IA～UGK曲线（本实验内容可根据实验室情况选作）（1）将连示波器的开关倒向接记录仪的输入端，记录仪的X轴接到微电流放大器的GK端，记录仪的Y轴量程取5mV/cm，X轴量程取5V/cm。（2）函数记录仪预热后，用锯齿波电压扫描（扫描时间要尽可能短，以免F-H管被严重击穿），即可在记录纸上绘出完整的IA～UGK曲线。【数据处理】1．求出汞原子的电离电势UZ根据测量结果作出离子电流IA随加速电压UGK变化的曲线，并由曲线的折拐点求出汞原子的电离电势。2．求出汞原子的第一激发电势U0根据测量结果绘制电子电流IA随栅极电压UGK变化的曲线图,由曲线的峰、谷值并根据逐差法分别求出相邻峰、谷间电压的平均值，两者再平均求出汞原子的第一激发电势U0的测量结果。【注意事项】1．在测量过程中，当IA迅速增大时或F-H管出现强烈蓝光时，要立即减小UGK至零。2．加热炉外壳温度较高，注意避免灼伤。3．由于炉内温度场不均匀，温度计的水银泡必须与F-H管的栅阴极中段相齐。4．炉温过低时，不可加灯丝电压和栅极电压。5．若想测出IA～UGK曲线的第一个峰谷值，炉温宜低（约140℃），但要注意此时F-H管易于全面击穿。6、实验完毕，须将“栅压选择”和“工作状态”开关置“0”，“栅压调节”旋至最小，暂不拆除K、H、G连接线，不要切断微电流放大器的电源。应先切断加热炉电源，并小心旋松加热炉面板，使其快速冷却，待温度降至120℃以下后，才能切断放大器及各种连线，以延长管子寿命。【预习思考题】1、设汞原子的第一激发电势为4.9V，则能量分别为4.0eV和5.2eV的电子与汞原子发生碰撞时各损失多少能量？2、拒斥电压是如何影响IA～UGK曲线的？3、汞的电离电势宜在90℃±10℃附近测量，为什么？4、当温度较高时，IA～UGK曲线的第一个峰谷不易出现，为什么？5、弗兰克-赫兹管的阴极与栅极之间的接触电势差对IA～UGK曲线及电离电势的测定有何影响？怎样由实验结果估计其大小？【分析讨论题】1、在测量汞原子的第一激发电势时，观察淡蓝色光环的特征以及与UGK的关系并说明为什么？2、IA～UGK曲线的谷值一般均不为零，且随加速电压UGK的增加而增大，这是由于各种原因使原子电离形成本底电流的缘故。试根据实验结果说明本底电流与UGK的关系以及对峰谷值测量的影响？如何消除这种影响？3、由汞原子的电离电势和第一激发电势，求出汞原子基态和第一激发态的能量值。

9. 弗兰克赫兹实验仪各部分起什么作用

作用：如果电压时灯丝和阳极（第二栅极）间的加速电压，通常实验中是的，但如果充气管中的气体足够稀薄，也可能测到高激发态对应的电位。

水银原子的电子的最低激发能量是 4.9eV。当加速电压升到 4.9 伏特时，每一个移动至栅极的自由电子拥有至少 4.9eV动能（外加电子在那温度的静能）。

经过这非弹性碰撞，自由电子失去了 4.9eV 动能，不再能克服栅极与阳极之间负值的电压。大多数的自由电子会被栅极吸收。因此，抵达阳极的电流会猛烈地降低。

实验结果诠释

使用弹性碰撞和非弹性碰撞的理论，法兰克和赫兹给予了这实验合理的解释。当电压很低时，被加速的电子只能获得一点点能量。他们只能与水银原子进行纯弹性碰撞。这是因为量子力学不允许一个原子吸收任何能量，除非碰撞能量大于将电子跃迁至较高的能量量子态所需的能量。

由于是纯弹性碰撞，系统内的总动能大约不变。又因为电子的质量超小于水银原子的质量，电子能够紧紧地获取大部分的动能。

以上内容参考：网络-弗兰克-赫兹实验

10. 夫兰克-赫兹实验

这样能保证阴极发射的热电子不会轻易到达阳极，只有穿过栅极并且动能足够大的电子才能克服这个电场到达阳极。
如果没有这个排斥电压，一个电子只要稍微有动能就能到达阳极，这样也能观察到阳极电流，这样Ip的变化便不明显，实验现象难观察。