Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы




Скачать 70.26 Kb.
НазваниеЛабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы
Дата публикации14.02.2014
Размер70.26 Kb.
ТипЛабораторная работа
shkolnie.ru > Физика > Лабораторная работа
Лабораторная работа №3

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

Цель работы: изучение процесса возбуждения атомов инертного газа электронным ударом и измерение первого потенциала возбуждения.

Сущность опытов, проведенных Дж. Франком и Г. Герцем.

Эти опыты дали прямое доказательство существования дискретности атомных состояний, т. е. принесли экспериментальное подтверждение постулатов Бора.

Согласно первому постулату Бора атом может длительное время (по атомной шкале времени) находиться только в определенных, так называемых стационарных состояниях, которые характеризуются дискретными значениями энергии Е1, Е2, Е3, ... В этих состояниях, вопреки классической электродинамике, атом не излучает.

Второй постулат (правило частот) гласит, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е2 в стационарное состояние с меньшей энергией Е1 происходит излучение кванта света (фотона) с энергией :

(1)

В 1925 г. за открытие законов столкновений электронов с атомами Джеймс Франк и Густав Людвиг Герц были удостоены Нобелевской премии.

Идея опытов заключается в следующем. При неупругих столкновениях электрона с атомом происходит передача энергии от электрона атому. Если внутренняя энергия атома изменяется непрерывно, то атому может быть передана любая порция энергии. Если же состояния атома дискретны, то его внутренняя энергия при столкновении с электроном должна изменяться также дискретно - на значения, равные разности внутренней энергии атома в стационарных состояниях.

Следовательно, при неупругом столкновении электрон может передать атому лишь определенные порции энергии. Измеряя их, можно определить значения внутренних энергий стационарных состояний атома.

П

Рис. 1

ринципиальная схема установки, примененной Франком и Герцем, представлена на рис. 1. В баллоне с парами ртути под давлением порядка 1 мм рт. ст. (130 Па) имелись три электрода: К - катод, С - сетка и А - анод. Электроны, испускаемые горячим катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Величину U можно было плавно менять. Между сеткой и анодом создавалось слабое тормозящее поле с разностью потенциалов около 0,5 В.

Таким образом, если электрон, проходящий сквозь сетку, имеет энергию меньше 0,5 эВ, то он не долетит до анода. Электроны, долетевшие до анода, образуют анодный ток, доступный измерению.

На опыте исследовалась вольт-амперная характеристика (рис. 2). Оказалось, что при увеличении ускоряющей разности потенциалов U вплоть до 4,86 В сила анодного тока возрастает монотонно, проходит через максимум (4,86 В), затем резко падает и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при 2  4,86 В, 3  4,86 В и т. д.

Т

Рис. 2

акой вид кривой объясняется тем, что первое возбужденное состояние атома ртути отстоит от основного по шкале энергий на эВ, и атомы действительно могут поглощать лишь дискретные порции энергии, равные этой величине. При энергии электронов, меньшей 4,86 эВ, они испытывают только упругие столкновения и передают атомам малую часть своей энергии (пропорциональную отношению массы электрона m к массе атома M, а т.к. m << M, то потеря кинетической энергии ничтожна). Когда же ускоряющее напряжение U становится равным 4,86 В, электроны начинают испытывать вблизи сетки неупругие столкновения, отдавая атому ртути всю энергию, и уже не могут преодолеть тормозящую разность потенциалов между сеткой и анодом. Значит на анод могут попасть только те электроны, которые не испытали неупругого столкновения. Поэтому, начиная с ускоряющего напряжения 4,86 В, анодный ток будет уменьшаться.

При дальнейшем росте ускоряющего напряжения достаточное число электронов после неупругого столкновения успевает приобрести энергию, необходимую для преодоления тормозящего поля за сеткой. Начинается новое возрастание силы тока. Когда ускоряющее напряжение увеличится до значения 2  4,86 В, электроны после одного неупругого столкновения достигают сетки с энергией 4,86 эВ, достаточной для второго неупругого столкновения. При втором неупругом столкновении электроны опять теряют почти всю свою энергию и не достигают анода. Поэтому анодный ток начинает опять уменьшаться (второй максимум на рис. 2). Аналогично объясняются и последующие максимумы. Практически, однако, следующие максимумы менее резко выражены и постепенно кривая становится просто плавно возрастающей, т.к. статистически для одного электрона вероятность испытать каждое следующее неупругое столкновение с атомом уменьшается.

Аналогичные опыты были проведены в дальнейшем с атомами других газов. И для них были получены характерные разности потенциалов, соответствующие переходу атома из основного состояния в ближайшее возбужденное. Такие характерные разности потенциалов называют первыми потенциалами возбуждения.

Итак, все опыты такого рода приводят к заключению, что состояние атомов изменяются лишь дискретно.

Опыты Франка и Герца подтверждают также и второй постулат Бора - правило частот. Оказывается, что при достижении ускоряющего напряжения 4,86 В пары ртути начинают испускать ультрафиолетовое излучение с длиной волны 253,6 нм. Это излучение связано с обратным переходом атомов ртути из первого возбужденного состояния в основное. Используя это значение, по правилу частот можно получить значение первого потенциала возбуждения, хорошо согласующееся с предыдущими измерениями:

эВ (2)

К выше изложенному необходимо добавить два замечания. Во-первых, поскольку столкновения ускоренных электронов с атомами носят статистический характер, т.е. существует определенная вероятность возбуждения атомов как до первого, так и до второго и других потенциалов возбуждения. Следовательно на графике вольт-амперной характеристики теоретически могут появляться и другие максимумы, соответствующие более высоким потенциалам возбуждения. Но если концентрация атомов в объеме достаточно велика, то такие максимумы возникать не будут, т.к. длина свободного пробега электрона между двумя неупругими соударениями с атомами будет недостаточной для приобретения такой кинетической энергии, которой бы хватило для возбуждения более высоких энергетических состояний.

Во-вторых, в силу того, что электроды, как правило, изготавливаются из разных металлов, между ними дополнительно возникает внешняя контактная разность потенциалов. Ее наличие приводит смещению кривой зависимости анодного тока от ускоряющего напряжения влево или вправо на величину этой контактной разности потенциалов. Однако интересующее нас расстояние между соседними максимумами на графике при этом не меняется.

^ Приборы и оборудование.

Метод возбуждения атомов потоком электронов особенно пригоден для инертных газов и паров металла, поскольку атомы этих веществ не обладают электронным сродством, т.е. не проявляют склонности к захвату электронов и образованию отрицательных ионов.

В данной работе в экспериментальной лампе ПМИ-2 используется инертный газ криптон (Kr) при низком давлении. Электрическая схема установки приведена на рис. 3.



У

Рис. 3

скоряющая разность потенциалов обозначена UСК (сетка-катод), задерживающая - UСА (сетка-анод), напряжение в цепи накала - UН. В лабораторную установку соответственно входят три источника питания, сопротивление нагрузки R и вольтметр.

^ Порядок выполнения работы.

1. При выключенном источнике питания в цепи накала (прибор Б5 47) убедиться, что на нем установлено напряжение 5 В и ток накала 0,95 А. Затем включить источник питания. Включить накал ручкой КН на блоке с лампой.

2. Включить источник питания в цепи сетка-катод (прибор Б5 49). С помощью пошагового переключателя установить на нем напряжение UСК = 1 В.

3. Включить источник питания в цепи сетка-анод (прибор Ф-1015). Ручкой с обозначением 2,5 4,5 В установить напряжение UСА = 2,5 В (крайнее левое положение).

4. На вольтметре (на рис. 3 - UR) установить режим измерения в милливольтах - mV. Меняя ускоряющее напряжение в цепи сетка-катод UСК от 1 до 50 В, записывать показания вольтметра UR. В интервале значений от 1 до 30 В UСК менять через 0,5 В, в интервале значений от 30 до 50 В UСК менять через 1 В.

5. Повторить измерения п. 4 для UСА = 4,5 В (крайнее правое положение ручки на передней панели прибора).

6. Поскольку значения анодного тока связаны с измеренными значениями напряжения на нагрузке UR по закону Ома: (прямо пропорциональная зависимость), нет необходимости в их расчете. Достаточно для обоих величин UСА построить график зависимости UR = f(UСК), который по своему виду будет полностью идентичен вольт-амперной характеристике IA = f(UСК).

7. Определить первый потенциал возбуждения для двух серий измерений, усреднить его значение и записать в виде доверительного интервала.

8. Пользуясь формулой (2) по рассчитанной величине первого потенциала возбуждения определить длину волны испускаемого атомами криптона излучения.

Контрольные вопросы.

  1. В чем сущность опытов Франка и Герца?

  2. Какие основные выводы можно сделать на основании опытов Франка и Герца?

  3. Какие столкновения электронов с атомами называются упругими и неупругими? На каких участках графика вольт-амперной характеристики имеют место упругие, а на каких – неупругие столкновения?

  4. С какой целью на анод подается задерживающее напряжение, и из каких соображений оно выбирается?

  5. Что такое первый потенциал возбуждения? Какое состояние атома называется основным, а какое – возбужденным?

  6. Чем объясняется тот факт, что даже при отсутствии подачи ускоряющего напряжения UСК наблюдается анодный ток в цепи нагрузки?

  7. В чем причина возникновения смещения графиков UR = f(UСК) с изменением величины задерживающего напряжения?

  8. При каком ускоряющем потенциале будет наблюдаться резкое падение анодного тока в аналогичном опыте, если лампу заполнить атомарным водородом?

  9. Почему не наблюдается свечения криптона в объеме лампы несмотря на то, что возбужденные атомы снова переходят в основное состояние и при этом испускают кванты электромагнитной энергии?

Литература.

1. Иродов И. Е. Квантовая физика. Основные законы, М.-СПб: Лаборатория базовых знаний, 2001, § 2.3.

2. Сивухин Д. В. Общий курс физики: т. 5, часть 1 (Атомная и ядерная физика), М: Наука, 1986, § 14.

3. Савельев И. В. Общий курс физики: т. 3, М: Наука, 1984, § 21.

4. Трофимова Т. И. Оптика и атомная физика: законы, проблемы, задачи., М: Высшая школа, 1999, § 8.3.

Похожие:

Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconЛабораторная работа Создание и работа с представлениями с использованием...
Цель работы: Умение создавать все виды представлений и работа с ними, используя odbc-драйвер
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconЛабораторная работа №7 Цель работы
Цель работы: Измерение горизонтальной составляющей индукции поля Земли магнитометрическим методом на основе принципа суперпозиции...
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconЛабораторная работа №1. Описание и анализ предметной области 6 1...
Лабораторная работа №2. Оформление результатов анализа при помощи диаграмм uml 10
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconЛабораторная работа №10 эффект пельтье в металлах цель работы
Цель работы: теоретическое и экспериментальное изучение контактного явления на границе 2-х металлов, возникающего при прохождении...
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconЛабораторная работа 10. Логика предикатов цель работы
Цель работы: Изучить предикаты и их применение в алгебре, булеву алгебру предикатов
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconЛабораторная работа кортежи и операции над ними. Цель работы
Цель работы: Изучить отличия кортежей от множеств, методику исследования операций над кортежами
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconЛабораторная работа №   Цикл Карно Цель работы
Цель работы – исследование прямого цикла Карно, изучение его основных параметров на компьютерной модели, сопоставление опытных данных...
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconЛабораторная работа обработка двухмерных массивов цель работы
Цель работы: Приобретение навыков обработки двухмерного массива. Закрепление понятий базовых структур цикл, разветвление, понятий...
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconКонтрольная работа №1 Контрольная работа №2 Лабораторная работа №1...
Для допуска к сдаче экзамена за первый семестр студент должен иметь оценки «зачтено» за все письменные работы этого семестра
Лабораторная работа №3 опыт франка и герца цель работы iconКонтрольная работа №1 Контрольная работа №2 Лабораторная работа №1...
Для допуска к сдаче экзамена за первый семестр студент должен иметь оценки «зачтено» за все письменные работы этого семестра
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница