1914年弗兰克（F．Franck）和赫兹（G．Hertz）在研究气体放电现象中低能电子与原子间相互作用时，在充汞的放电管中发现：透过汞蒸气的电子流随电子的能量呈现有规律的周期性变化，间隔为4.9eV并拍摄到与能量4.9eV相对应的光谱线2537Å。对此，他们提出了原子中存在的“临界电势”的概念：当电子能量低于与临界电势相应的临界能量时，电子与原子碰撞是弹性的，而当能量达到这一临界能量时，碰撞过程由弹性变为非弹性，电子把这份特定的能量转移给原子使之受激，原子退激时再以特定的频率为光量子形式辐射出来，电子损失的能量ΔE与光量子能量及光子频率的关系为

　　　　　　　　　       ΔE = eV = hν

F-H实验证实了原子内部能量是量子化的，为玻尔于1913年发表的原子理论提供了坚实的实验基础。

1920年弗兰克及其合作者对原先实验装置作了改进提高了分辨率测得了汞的除4.9eV以外的较高激发能级和电离能级，进一步证实了原子内部能量是量子化的。1925年弗兰克和赫兹共同获得诺贝尔物理学奖。

通过这一实验可以了解原子内部能量量子化的情况，扩大弹性碰撞和非弹性碰撞的知识，学习和体验弗兰克和赫兹研究气体放电现象中低能电子和原子间相互作用的试验思想和实验方法。

实验原理

根据玻尔理论原子只能处在某一些状态，每一状态对应一定的能量，其数值彼此是分立的，原子在能级间进行跃迁时吸收或发射确定频率的光子，当原子与一定能量的电子发生碰撞可以使原子从低能跃迁到高能级（激发）如果是基态和第一激发态之间的跃迁则有：

图1  F-H实验线路连接图

      eV1=mev2 = E1 - E0

电子在电场中获得的动能和原子碰撞时交给原子，原子从基态跃迁到第一激发态V1称为原子第一激发电势（位）。

进行F-H实验通常使用的碰撞管是充汞的。这是因为汞是原子分子，能级较为简单，汞是一种易于操纵的物质，常温下是液体，饱和蒸气压很低，加热就可改变它的饱和蒸气压，汞的原子量较大和电子作弹性碰撞时几乎不损失动能，汞的第一激发能级较低— 4.9eV，因此只需几十伏电压就能观察到多个峰值，当然除充汞蒸气以外，还常用充惰性气体如氖、氩等的，这些碰撞管温度对气压影响不大，在常温下就可以进行实验。

图2  F-H管中的电位分布图

对于四极式的F-H碰撞管，实验线路连接如图1所示。VF为灯丝加热电压，VG1K为正向小电压，VG2K为加速电压，VG2P为减速电压。F-H管中的电位分布如图2所示。电子由阴极发出经电场VG2K加速趋向阳极，只要电子能量达到克服减速电场VG2P就能穿过栅极G2到达板极P形成电子流IP。由于管中充有气体原子，电子前进的途中要与原子发生碰撞。如果，电子能量小于第一激发能eV1，它们之间的碰撞是弹性的，根据弹性碰撞前后系统动量和动能守恒原理不难推得电子损失的能量极小，电子能如期地到达阳极；如果电子能量达到或超过eV1，电子与原子将发生非弹性碰撞，电子把能量eV1传给气体原子，要是非弹性碰撞发生在G2栅附近，损失了能量的电子将无法克服减速场VG2K到达板极。这样，从阴极发出的电子随着VG2K从零开始增加板极上将有电流出现并增加，如果加速到G2栅的电子获得等于或大于eV1的能量将出现非弹性碰撞而出现IP的第一次下降，随着VG2K增加，电子与原子发生非弹性碰撞的区域向阴极方向移动，经碰撞损失能量的电子在趋向阳极的路途中又得到加速又开始有足够的能量克服减速电压VG1P到达板极。IP随VG2K增加又开始增加，而如果VG2K的增加使那些经历过非弹性碰撞的电子能量又达到eV1则电子又将与原子发生非弹性碰撞造成IP的又一次下降。在VG2K较高的情况下，电子在趋向阳极的路途中将与原子发生多次非弹性碰撞。每当VG2K造成的最后一次非弹性碰撞区落在G2栅极附近就会使IP  ~VG2K 曲线出现下降，如此反复将出现如图3的曲线，曲线的极大极小出现呈现明显的规律性，它是能级量子化能量被吸收的结果，也是原子能级量子化的体现，就图3的规律来说，每相邻极大或极小值之间的电位差为第一激发电势（位）。

实验仪器

F-H管电源组，扫描电源和微电流放大器，F-H管，加热电路及控温装置等。

实验内容

一、原子第一激发电位的测量

实验测定弗兰克—赫兹实验管的IP  ~VG2K曲线观察原子能量量子化情况，并由此求出充气管中原子的第一激发电位（Hg或Ar）

图3  F-H管的IP ~ VG2K曲线

1．按图1连接电路,开启电炉加热系统使F-H管置于170℃温度，控温装置绿指示灯亮。（充氩管此步略）

2．预热结束，控温装置红指示灯亮，打开其他两个实验装置, F-H管电源组及扫描电源和微电流放大器，选择适当的实验电源条件VF <2.2V，VG1K < 3V，VG2P <1.5V（充氩管7.5V）。

3．用扫描方式档观察微电流计上IP随着VG2K的变化情况。适当调整实验电源条件使第一峰位位置出现且使微电流计能出现8个峰（Hg）或5个峰（Ar），峰谷明显。

4．选取合适的实验点记录数据，填入下表1，使能完整真实地绘出IP  ~VG2K曲线，用170℃的VG2K峰值求出汞或氩的第一激发电位，处理方法：最小二乘法，参见第一章数据处理。

表1     T=170℃   IP  ~VG2K 

表2     T=150℃   IP  ~VG2K

思考题

1．用充汞管做F-H实验为何要先开炉子加热？

2．考察炉温对IP曲线的影响（曲线形状，击穿电压，峰谷比峰数等）。

3．考察IP  ~VG2K 周期变化与能级关系，如果出现差异估计是什么原因？

4．第一峰位位置值为何与第一激发电位有偏差？

注意事项

1．如用充汞管则应先开启加热电炉至实验值，再开启其它电源。

    2．不同的实验条件有不同的VG2K击穿值，击穿发生应立即调低VG2K以免F-H管受损。

3．灯丝电压不易放得过大，宜在2.2伏以下。下载本文