赫兹实验原理装置

㈠ 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。

㈡ 弗兰克—赫兹实验详细信息

在1925年，弗兰克和赫兹因发现了原子受电子碰撞的定律而荣获诺贝尔物理学奖。弗兰克，一位专注于低压气体放电实验的科学家，与赫兹合作研究了电离电势和量子理论的关系，通过反向电压法得到了一系列气体的电离电势。他们进一步研究了电子与惰性气体的碰撞特性。在1914年，弗兰克和赫兹取得了重要成果，发现汞蒸气中的电子与分子进行弹性碰撞，并达到某一临界速度，此速度相当于电子经过4.9伏的加速。此临界速度可测准到0.1伏。这一结果证明了4.9伏电子束的能量等同于波长为2536的汞谱线的能量子。因此，4.9伏是汞原子的电离电势。

弗兰克和赫兹的实验装置是一只充气三极管，其中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4.9伏电势差，板极电流都会突降一次。若在管子里充以氦气，也会发生类似情况，其临界电势差约为21伏。

最初，弗兰克和赫兹依据斯塔克的理论进行实验，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的关系为hν=eV。然而，他们坚持斯塔克的观点，认为4.9伏电势差引起汞原子的电离。后来，弗兰克认识到玻尔的原子理论为这个领域开辟了明确的路径，并同意玻尔的观点。玻尔在1915年就指出，弗兰克-赫兹实验的4.9伏电势差正是他的能级理论中预言的汞原子的第一激发电势。

弗兰克出生于1882年8月26日，曾在汉堡的威廉中学学习，并在海德堡大学学习化学。后来，在柏林大学学习物理，成为瓦尔堡和德鲁德的学生。1911年获得柏林大学物理学“大学授课资格”，并在柏林大学任教直到1918年。1921年，他成为格丁根大学教授，并担任第二实验物理学研究所主任。1933年，为了抗议希特勒反犹太法，弗兰克辞去教授职务，离开德国前往哥本哈根。1964年5月21日，弗兰克在访问格丁根时逝世。

赫兹，电磁波的发现者赫兹的侄子，出生于1887年7月22日。在汉堡的约翰尼厄姆学校毕业后，他进入格丁根大学学习，并在慕尼黑大学和柏林大学学习。1911年，赫兹获得柏林大学的学位，并在柏林大学物理研究所担任研究助理。赫兹参与了第一次世界大战，并在1915年负重伤。战后，他回到柏林担任校外教师。1925年，赫兹被选为哈雷大学的教授和物理研究所所长。1975年，赫兹在柏林逝世。

㈢ 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