弗兰克赫兹实验思考
1.弗兰克赫兹管内发生的物理过程、奇特伏安特性曲线的解释：
在我们的实验中，用的是充氩的弗兰克赫兹管。实验中，从灯丝发出的热电子经过一次预加速（Ug1k加速）后，进入Ug2k加速区间，并与管内的亚原子发生碰撞。按照量子理论，氩原子的能量状态是不连续的，即氩原子有分立的能级。当氩原子吸收电磁波或受到其它有足够能量的粒子碰撞时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。?
而具有适宜能量的热电子的碰撞，就能引起氩原子能态的激发。于是，会出现这样的情况：（1）Ug2k逐渐升高，热电子能量较低时，无法引起氩原子能态的激发，与氩原子发生弹性碰撞；（2）随着Ugk2升高，当电子能量达到某一个临界值时，电子的能量在碰撞中会被氩原子吸收，此时，随着Ugk2升高，能够通过反向电压的电子数量将会明显地下降，（由于有很多初速度不一的电子，实际电流并不为零）；（3）随着Ug2k的升高，电子经过一次非弹性碰撞后，剩下的能量提高，使得可以通过反向电压的电子数量逐渐变多，伏安特性曲线再次上升；（3）等到Ug2k恰使电子能完成两次非弹性碰撞时，能够通过反向电压的电子数量又将会明显地下降；当Ug2k恰使电子能够完成N次非弹性碰撞时，都会出现电流下降的情况。
就这样，随着Ug2k的升高，伏安特性曲线整体升高，但呈现周期性波动的特性。
这样的伏安特性曲线说明了氩原子的能量状态是不连续的，即氩原子有分立的能级。
至于要考察氩原子的有多少激发态，则不能使用这样的接线方式：因为，我们所用的接线方式使得电子每加速到能使氩原子能量由基态跃迁到第一激发态时，其能量就被吸收了。没有办法观察到能量更高的能态。
2.第一激发电位：
将原子中的一个外层电子从基态激发至激发态所需要的能量称为原子的激发电位(Ei)，通常以电子伏特(eV)为单位表示。
显然，原子的第一激发电位，就是将原子中的一个外层电子从基态激发至第一激发态所需要的能量。
而我们的实验中，用热电子碰撞氩原子，所得伏安特性曲线峰值（电流下降前一瞬电压）的逐差值，再乘上e，就是那个使氩原子外层电子从基态激发至第一激发态所需要的能量的值。所以，所得的逐差值就等于氩原子的第一激发电位值。
有第一激发电位，也有第二激发电位。第二激发电位即原子中的一个外层电子从基态激发至第二激发态所需要的能量。
想要测量第二激发电位，就需要改变四极弗兰克赫兹管的接线方式，让碰撞区域是等电势区，电子进入碰撞区前，就加速到较高的能量，这
样，就可以避免无法提高电子碰撞前最高能量的问题。
这在历史上其实已经由弗兰克-赫兹两人完成了这样的工作。他们利用的就是将碰撞区域改装为等电势区，在灯丝前加上加速栅极的方法，提高了电子的能量，测出了汞原子的多个能级。
对氩原子第二激发电位的测量方法：
<1>改变接线：（1）G1,G2用导线相连，以确保G1,G2间的电势相等，（2）在K,G1间接入加速电压，让电子在开始碰撞前就完成加速。
<2>保持装置的其他接线，适当调整灯丝电压与斥拒电压，使加速电压以一个确定的步长逐渐升高，记录下对应的电流示值，然后画出伏安特性曲线，在曲线出现第二次明显滑落的地方对应的电压值，就对应着氩原子的第二激发电位。
3.<1>管内还可以充入何种气体？
显然，汞蒸气是可以使用的。而我们的实验中用了氩气，推想，充入惰性气体应该都可以（除去具有放射性的惰性气体氡），毕竟它们都稳定，且为单原子气体。有人说氢气可以，但是，需要考虑到，氢气是以氢分子形式存在的，不是单原子气体，这样的话，测出来的就该是氢分子的第一激发电位了，而不是氢原子的。（如果光从弗兰克赫兹管的结构特性上来看而不考虑实验结果，也可以充氢气。）
<2>能否去掉一个电极？
其实我们用来做实验的弗兰克赫兹管也可以测量氩原子第二激发电位，只是我们按照将加速电压接入Ukg2的方式连接了电路。这个时候，理论上可以把Ukg1去掉，Ukg1只不过是相当于在Ukg2加速前的一个预加速，去掉后不会影响整体的伏安特性曲线的形状。但是为什么我们并没有把这个极（g1）去掉呢？因为四极的弗兰克赫兹管的k极实际上使得电子以旁热式方式被加热发射，这样，电子发射均匀，再经过kg1间电压加速，电子运动的初速就相对来说大致一样，有利于减少由于电子初速度不一而造成的对实验现象的干扰。
可以发现，去除g1或k的效果相差不大（去掉g1极的话，就将加速电压加在kg2间；而去掉k极的话，就将加速电压加在g1g2间），但是，k极的结构使得电子均匀发射，所以，在万不得已的情况下，可以去掉g1极。（这是我的个人观点）
改变各电极后，线路图的变化如下：
4.弗兰克赫兹实验的历史与背景
在玻尔的原子理论中，作为基本假设，玻尔提出：原子只能处于一系列不连续的状态，这些状态具有分立的确定的能量值，称为定态；原子从一个定态过渡（跃迁）到另一个定态将伴随着辐射或吸收电磁波，电磁波的频率υ与两定态的能量值Em和En的关系为?
hυ=?Em－En，式中?h=6.63×10-34Js，称
为普朗克常量。?
原子在正常情况下处于基态（最低能态），当原子吸收电磁波或受到其它有足够能量的粒子碰撞时，可由基态跃迁到能量较高的激发态。?
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。
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。”