为了研究原子内部的能量时态问题，弗兰克和赫兹使用简单而有效的方法，用低速电子去轰击原子，观察它们之间的相互作用和能量传递过程，从而证明原子内部量子化能级的存在。

 

实验要求：

n        通过对汞原子第一激发电位测量，了解弗兰克和赫兹在研究原子内部能量量子化方面所采用的实验方法。

n        了解电子与原子碰撞和能量交换过程的微观图像。

 

理论基础

n        Hg原子能级

其中6¹S₀（0ev）为基态，6³P₁（4.9ev）为激发态，6³P₀（4.7ev）、6³P₂（5.47ev）为亚稳态

实现能级跃迁，吸收光子

原子与电子碰撞

 

处于激发态的原子不稳定，发射光子回到低能态。

n        原理图

F-H管内充汞，灯丝加热K使其发射电子，G₁控制通过G₁的电子数目，G₂加速电子，G₁、G₂空间较大，提供足够的碰撞概率，A接收电子，AG₂加一扼止电压，使失去动能的电子不能到达，形成电流。

实验曲线：

n        碰撞过程及能量交换

此过程在G₁G₂空间发生，在加速场的作用下，电子获得动能，与原子的弹性碰撞中，电子总能量损失较小，在不断的加速场作用下，电子的能量逐渐增大，就有可能与原子发生非弹性碰撞，使原子激发到高能态，电子失去相对应的能量，使其不能到达A从而不能形成电流。

 = 4.7V，使原子激发到6³P₀，此态较稳定，不容易再产生跃迁，故不容易观察到这个吸收。

 = 4.9V，使原子激发到6³P₁，引起共振吸收，电子速度几乎为零，电子不能到达A，形成第一个峰。

 = 9.8V，电子与原子发生两次非弹性碰撞，在G₂处失去动能，形成第二个峰。

 = 4.9nV，将形成第n个峰。

 

n        电子平均自由程对激发或电离的影响

主要由炉温决定，还与电子速度等有关。

λ很短，相邻两次碰撞间获得能量小，经多次碰撞能量积累到第一激发态的能量时，能使原子激发到激发态，不容易激发到较高能态。

λ很长，相邻两次碰撞间获得能量大，激发到高能态的可能性很大，所以在λ很长，加速电压较高，会使某些电子有足够能量使原子激发到较高能态，甚至电离。

 

注意事项

n        先将温度调到设定值，打开温控电源，加温指示灯on亮（绿色），到设定温度off指示灯亮（红色）。

n        接线，将V_f，V_G1K，V_G2P，V_G2K的旋钮调到最小，到设定温度后，再打开两仪器电源，然后据炉上标签设定各电压值。用“手动”档测曲线。

n        实验中若产生电离击穿(电流迅速严重过载)，立即将加速电压调到零，减小灯丝电压，每次减小0.1~0.2V，重新测曲线。

n        加热炉的炉温较高，移动时应注意，导线不要挂在炉壁上。

n        在实验中注意炉温及灯丝电压的选择。

 

思考题：

n        灯丝电压的大小对曲线有何影响？

n        说明温度对充汞F-H管曲线影响的物理机制。

 

参考资料

1.       褚圣麟                               原子物理学.         北京：高等教育出版社

2.        B凯格纳克，J裴罗拉.         近代原子物理学    北京：科学出版社

3.        N F Mott, H W Massey        The Theory of Atomic Collisions 3rd ed.     Dxford Pr