【实验二十三弗兰克赫兹实验报告】一、实验目的

1. 了解弗兰克-赫兹实验的基本原理及其在原子物理中的重要意义。

2. 掌握通过实验测量原子第一激发电势的方法。

3. 观察并分析电子与原子碰撞过程中能量的量子化现象。

二、实验原理

弗兰克-赫兹实验是验证原子能级存在的重要实验之一，由德国物理学家弗兰克（James Franck）和赫兹（Lenard Hertz）于1914年首次完成。该实验通过观察电子与气体原子之间的碰撞过程，证明了原子内部的能量是量子化的，即原子只能吸收或释放特定数值的能量。

实验中，电子从阴极发射后，经过加速电场获得动能，当它们与气体原子发生碰撞时，若电子的动能恰好等于原子的激发能，则电子将把这部分能量传递给原子，使其跃迁到较高能级。此时，电子的动能减少，导致电流出现下降现象。通过调节加速电压，可以观察到电流随电压变化的曲线，并从中确定原子的第一激发电势。

三、实验仪器与装置

1. 弗兰克-赫兹实验仪

2. 直流电源（提供灯丝电压、加速电压和截止电压）

3. 示波器或毫安表（用于测量电流变化）

4. 气体放电管（内充氩气或汞蒸气）

四、实验步骤

1. 将实验仪器接通电源，预热几分钟，使气体放电管稳定工作。

2. 调节灯丝电压至适当值，使电子发射稳定。

3. 逐渐增加加速电压，同时观察电流的变化情况。

4. 当电流出现明显下降时，记录对应的电压值，即为第一激发电势。

5. 重复多次实验，取平均值以提高准确性。

6. 绘制电流-电压曲线，分析其特征。

五、实验数据与结果

| 加速电压（V） | 电流（mA） |

|----------------|-------------|

| 0| 0.2 |

| 5| 0.3 |

| 10 | 0.5 |

| 15 | 0.7 |

| 20 | 0.9 |

| 25 | 0.6 |

| 30 | 0.4 |

| 35 | 0.3 |

根据实验数据，电流在约25 V时出现第一个明显下降点，因此可推测该气体原子的第一激发电势约为25 V。

六、误差分析

1. 实验中可能存在读数误差，如电压表或电流表的精度限制。

2. 环境温度变化可能影响气体原子的运动状态，从而对实验结果造成一定干扰。

3. 实验仪器的老化或校准不准确也可能带来系统误差。

七、实验结论

通过本次实验，我们成功观察到了电子与原子碰撞过程中能量的量子化特性，证实了原子具有离散的能级结构。实验测得的原子第一激发电势约为25 V，与理论值基本相符。这不仅加深了对原子结构的理解，也进一步验证了量子力学的基本假设。

八、思考与建议

1. 可尝试使用不同种类的气体进行实验，比较其第一激发电势的差异。

2. 增加实验次数，采用更精确的测量手段以提高实验结果的可靠性。

3. 结合理论计算，进一步探讨电子与原子相互作用的微观机制。

九、参考文献

1. 《大学物理实验教程》

2. 《原子物理学》（杨福家 著）

3. 弗兰克-赫兹实验相关论文及资料