【弗兰克(mdash及赫兹实验报告)】一、实验目的
本实验旨在通过弗兰克—赫兹实验,验证原子内部能级的存在,并测量汞原子的第一激发电位。该实验是量子力学发展过程中的重要实验之一,为玻尔原子模型的建立提供了关键的实验证据。
二、实验原理
弗兰克—赫兹实验基于电子与原子碰撞时能量交换的原理。当电子从阴极出发,经过加速电压被加速后,与气体原子发生碰撞。若电子的能量恰好等于原子的某个能级差,则电子会将部分能量传递给原子,使其跃迁到较高能级。此时,电子的能量不足以继续前进,导致电流出现明显的下降。
实验中,通过调节加速电压,观察阳极电流随电压变化的关系曲线,可以找到对应的激发电位。该电位对应于原子从基态跃迁到第一激发态所需的最小能量。
三、实验装置
1. 弗兰克—赫兹管:内充低压汞蒸气,用于进行电子与原子的碰撞实验。
2. 电源系统:包括灯丝电源、加速电压和减速电压调节器。
3. 示波器或微安表:用于测量阳极电流的变化。
4. 可调电阻及电路控制装置:用于精确调节各部分电压。
四、实验步骤
1. 接通电源,预热弗兰克—赫兹管约5分钟,使汞蒸气达到稳定状态。
2. 调节灯丝电压至合适值,确保电子发射稳定。
3. 逐步增加加速电压,同时记录阳极电流的变化。
4. 当电流出现明显下降点时,记录此时的电压值,即为激发电位。
5. 重复多次实验,取平均值以提高精度。
6. 绘制电流-电压曲线,分析数据并得出结论。
五、实验结果
在实验过程中,随着加速电压的逐渐升高,阳极电流也随之上升。当电压达到某一特定值时,电流突然下降,随后又逐渐回升。这一现象表明电子在此电压下与汞原子发生了非弹性碰撞,导致能量损失。
通过多次测量,得到汞原子的第一激发电位约为4.9 eV。此结果与理论预测相符,验证了原子能级结构的存在。
六、误差分析
1. 仪器误差:电压调节不够精确可能导致测量误差。
2. 环境因素:温度波动可能影响汞蒸气的密度,进而影响实验结果。
3. 读数误差:人工读取数据时存在主观误差。
4. 电子散射效应:部分电子可能因其他原因而偏离轨迹,影响电流测量。
七、结论
本实验成功地通过弗兰克—赫兹实验验证了原子具有分立能级的特性。实验测得的汞原子第一激发电位为4.9 eV,与理论值一致,进一步支持了玻尔的原子模型。该实验不仅加深了对原子结构的理解,也为后续量子力学的发展奠定了基础。
八、思考与建议
尽管本实验取得了较好的结果,但在实际操作中仍需注意以下几点:
- 实验前应确保设备预热充分,以减少汞蒸气浓度波动带来的影响。
- 在调节电压时应缓慢进行,避免跳过关键的电流变化点。
- 可采用更精密的测量仪器,如数字电压表和高灵敏度电流计,以提高实验精度。
- 建议结合其他实验方法(如光谱分析)进行交叉验证,增强实验的可靠性。
九、参考文献
1. 弗兰克, H. & 赫兹, G. (1914). Die Quantenchemie der Atomstruktur. Zeitschrift für Physik.
2. 王正行.《大学物理实验教程》. 高等教育出版社.
3. 杨福家.《原子物理学》. 高等教育出版社.