夫兰克-赫兹实验的研究与改进
Frank-Hertz Experiment Research and Improvement
Abstract: Frank-Hertz experiment is an important content in university physics experiment, which provides a direct and independent evidence for the Bohr atom model theory, and it is still an important means in the scientific research to explore the atomic structure. This article introduces the Frank-Hertz experiment device, experiment principle, experimental steps and matters needing attention firstly. Then some data were measured through the experiment, and both the successive difference method and least square method were adopted to deal with the experimental data, respectively. The results show that the precision of experimental data was improved greatly when the least square method was used, therefore, the least square method is a good method being of recommended.
Key words：Frank-Hertz Experiment; Data Processing Method; least Square Method
目 录
摘要 1
引言 1
1.夫兰克-赫兹实验概述 2
1.1实验原理 2
1.2实验器材及步骤 3
1.3实验中问题的解决方法 4
1.4实验数据 4
2.实验数据处理 5
2.1利用逐差法处理数据 5
2.2利用最小二乘法处理数据 5
3.实验数据处理方法分析 8
4.结束语 8
参考文献 8
致谢 10
夫兰克-赫兹实验的研究与改进引言
1913年，丹麦著名的物理学家玻尔从大量事实出发，发现量子化是解决原子内部结构问题的关键，因此他提出了两个极为重要的概念：原子能够并且只能稳定地存在于与离散的能量相对应的一系列状态中，这些状态称为定态；原子能量的任何改变，包括吸收和发射电磁辐射，都只能在两个定态之间以跃迁的方式进行。原子在两个定态（高能级Ei和低能级Ef）之间跃迁时要辐射或吸收能量为 的光子，其中 。这一理论在当时受到了大多数人的怀疑。然而，德国物理学家夫兰克和赫兹的实验为这一理论的正确性提供了强有力的证据。他们用电子碰撞原子的方法，使原子从低能级激发到高能级，从而直接证明了原子内部能级的存在 ，夫兰克和赫兹也因此获得了1925年的诺贝尔物理学奖。由于该实验的重要性，它一直被作为经典实验沿用至今。本文从数据处理方法的角度对传统的逐差法做出调整，从而提高实验的精确性，达到对实验的进一步认识。
1. 夫兰克-赫兹实验概述
1.1 实验原理
1.1.1 跃迁原理
根据波尔的理论，原子只能较长久地处在一些不连续的定态中，各定态具有一定的能量被称为能级，其数值是彼此分隔的，原子从一个定态跃迁到另一个定态发射或吸收辐射时，频率是一定的。当原子和一定能量的电子发生碰撞时，可使原子从较低能级跃迁到较高能级。夫兰克-赫兹实验正是利用电子碰撞原子的方法来实现这种跃迁。通过人工控制加速电压 ，实现对电子动能 的控制，其表达式 。式中 ， 表示碰撞前后能级的能量， 、 指碰撞前后电子的速度。当 ， ，电子跃迁到第一激发态；当 ，电子跃迁到较高的激发态；当 →∞，此时原子则被电离 。
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