关于这间实验室
六个课题,两件事:光是一份一份的,原子也是。
前三个课题研究光电效应:光照到金属上能不能打出电子,只看光的频率;打出来的电子带多少能量,也只看频率。这只能用光子解释:一份光的能量是 hν。后三个课题研究原子:α 粒子散射说明原子中心有一个很小的核,氢光谱和弗兰克—赫兹实验说明原子的能量只能取一些确定的值。
每一个读数、每一个点、每一条曲线都来自同一个物理模型,不是预先画好的动画。改一个参数,所有数据一起重新计算。
六个结论
每个课题推翻一个常见的说法。
光足够强,就能打出电子?
紫外线光子 4.88 eV,大于锌的逸出功 3.34 eV,带负电的锌板很快放电;红光光子只有 1.91 eV,光强加到 3 倍也打不出电子。能不能打出电子看频率,光强只决定快慢。
光越强,光电子能量越大?
405 nm 的光照钠阴极,光功率从 10 µW 加倍到 20 µW,遏止电压都是 0.77 V,饱和电流从 32.6 nA 增大到 65.3 nA。光强决定光电子的数目,不决定它们的最大初动能。
换金属,斜率也会变?
钠阴极取三条能产生光电流的谱线,Uc–ν 直线的斜率给出 h = 6.63 × 10⁻³⁴ J·s;换成铷,直线平移,斜率不变。
α 粒子不可能被弹回?
汤姆孙模型预期 10° 以外几乎没有计数;金箔实测 150° 方向 5 分钟仍有 19 次闪光。原子的正电荷和几乎全部质量集中在很小的核里。
氢的光是连续的彩虹?
氢放电管只给出四条可见亮线,红线 Hα 在 23.2°;由光栅读数拟合得 R = 1.0967 × 10⁷ m⁻¹。分立的谱线对应分立的能级。
原子能吸收任意大小的能量?
汞管的阳极电流不是一直增大,而是每隔一段电压下降一次,间距 4.9 V,正是汞原子的第一激发能,对应 254 nm 的紫外线。
模型与来源
模型与来源
- 光电效应:Ek,max = hν − W₀,eUc = Ek,max;饱和电流 Is = ηeP/(hν),量子效率 η = 1%。
- α 散射:固定探测器的计数 N ∝ 1/sin⁴(θ/2);计数按泊松分布抽样,种子固定。
- 氢光谱:1/λ = R(1/2² − 1/n²),R_H = R∞/(1 + mₑ/mₚ);光栅 600 条/mm,d sinθ = λ,读数到 1′。
- 弗兰克—赫兹:相邻电流谷的间距 = E₁/e;汞 4.9 eV,氖取 18.3–19.5 eV 的中点 18.9 eV。
- 常数取 SI 定义值:h = 6.62607015 × 10⁻³⁴ J·s,e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C,c = 299792458 m/s。
逸出功取教材表值(锌 3.34 eV,钠 2.29 eV,铷 2.13 eV,钙 3.20 eV);手册给出的清洁锌表面约 4.3 eV,表面状态不同,数值差别很大。量子效率、伏安曲线形状、普通玻璃挡住 320 nm 以下紫外线、α 计数的定标(150° 每分钟约 3 次)、汤姆孙模型约 1° 的偏转、弗兰克—赫兹曲线的形状与接触电势都是教学假设:它们只影响曲线外形与计数多少,不影响遏止电压、h、谱线位置与谷间距这些结论。汞灯谱线取空气中波长,氢谱线取真空波长,两者相差约 0.03%。玻尔轨道是历史模型;能级图只表示能量,不表示电子的轨道。
- NIST CODATA · Planck constant ↗ 2026-11-06 核对
- NIST CODATA · Rydberg constant ↗ 2026-11-06 核对
- NIST Atomic Spectra Handbook · Strong lines of mercury ↗ 2026-11-06 核对
- OpenStax College Physics 2e · 29.2 The Photoelectric Effect ↗ 2026-11-06 核对
- OpenStax College Physics 2e · 30.2 Discovery of the Parts of the Atom ↗ 2026-11-06 核对
- OpenStax College Physics 2e · 30.3 Bohr’s Theory of the Hydrogen Atom ↗ 2026-11-06 核对
- HyperPhysics · The Franck-Hertz Experiment ↗ 2026-11-06 核对