ïÉ 21 (Лабораторная работа № 21 Определение потенциала возбуждения атомов по методу Франка и Герца)

Лабораторная работа № 21Определение потенциала возбуждения атомов по методу Франка иГерца.Цель работы: опытное подтверждение дискретности атомных состояний, измерение резонансного потенциала атомов газа.1. ВведениеВ соответствии с квантово-механической теорией атом может длительнопребывать только в определенных стационарных состояниях. Каждому такомусостоянию соответствует определенное значение энергии.

Поэтому атом можетпоглощать только определенные порции энергии, равные разности энергий двухстационарных энергетических состояний. В частности, атому нельзя сообщитьэнергию меньше той, которая необходима для перевода его из основного состояния в первое возбужденное. Сообщить атому определенное количество энергииможно с помощью бомбардировки атомов электронами, ускоряемыми электрическим полем.При скоростях электронов, меньших некоторой критической скорости (критической скорости соответствует критическая энергия, необходимая для переводаатома в первое возбужденное состояние из основного), происходит упругоестолкновение. Электрон при таком столкновении не передаёт атому энергию, ноизменяется направление скорости электрона.

При скоростях электронов, равныхили больших критической, происходят неупругие столкновения. При этомэлектрон передает атому такую порцию энергии, которая необходима для перехода атома в возбуждённое состояние.Разность потенциалов, при которой электрону сообщается энергия, равнаяэнергии возбуждения атома, называют критическим потенциалом атома.Критический потенциал, соответствующий переходу из основного состояния напервый возбужденный уровень, называют первым или резонансным потенциалом.

Время жизни атома в возбужденном состоянии мало. При самопроизвольномпереходе в невозбуждённое состояние ранее полученная энергия излучается ввиде кванта света, частота которого  может быть найдена из соотношенияh  eU ,(1)где U – разность потенциалов, ускоряющая электрон в электрическом поле.Существование энергетических уровней атомов можно обнаружить с помощью опыта, впервые выполненного Джеймсом Франком и Густавом Герцем в1913г.2. Описание установки.В опытах Франка и Герца для определения резонансного потенциала использовался метод задерживающего поля.

Принципиальная схема опыта изображена на рис.1 .На сетку 1 трехэлектродной лампы, наполненной гелием, подаетсяположительный относительно катода 2 потенциал Uуск ; на анод лампы 3подается небольшой постоянный отрицательный относительно сетки потенциалUз, характеризующий созданное между сеткой и анодом слабое задерживающееполе. В цепь анода включается измерительный прибор 4. Пучок электронов,эмитированных накаленным катодом, ускоряется полем, созданным междукатодом и сеткой.Рис. 1Пока ускоряющее поле слабое, электроны, сталкиваясь с атомами газа, испытывают только упругие столкновения. Они рассеиваются, практически не теряяэнергии.

Поэтому часть электронов преодолевают слабое задерживающее поле,созданное между сеткой и анодом. В цепи анода фиксируется ток. С ростомускоряющего напряжения этот ток возрастает как в обычном диоде.При увеличении Uуск растет энергия, приобретаемая электронами в электрическом поле. При некотором значении Uуск = U1 энергия электронов достигаетвеличины, соответствующей энергии возбуждения первого энергетическогоуровня атома газа.

Столкновения электронов с атомами становятся неупругими,электроны теряют при ударе большую часть своей энергии, которую поглощают2атомы. После такого столкновения электроны не могут уже преодолеть тормозящего поля, поэтому ток в цепи анода резко падает.Дальнейшее увеличение Uуск вновь вызывает рост тока. Это объясняется тем,что электроны, потерявшие энергию при первом неупругом столкновении, вновьнабирают ее во время пробега в достаточно сильном ускоряющем поле. Но таккак их энергия меньше минимального значения, которое надо передать атому газапри вторичном столкновении, электроны все же доходят до анода, двигаясьпротив тормозящего поля между сеткой и анодом. Очевидно, что дальнейшееувеличение Uуск приводит к повторению описанных событий: при некоторомзначении U уск  2U1 электрон испытывает второе неупругое столкновение сатомами и ток резко падает.

Вообще, при значениях U уск  nU1 будет наблюдатьсямаксимум тока.Вольт-амперная характеристика – зависимость анодного тока от ускоряющего потенциала сетки в данном случае имеет вид, представленный на рис. 2.Разность значений ускоряющих потенциалов, соответствующих двум последовательным максимумам тока, равна резонансному потенциалу атомаU р  U 2 max  U1max .(2)Iанод.мкАРис.2.На рис.2 приведена реальная вольт-амперная характеристика, полученная в опыте Франка и Герца для паров ртути.3Второй максимум вольтамперной характеристики выражен менее четкопо сравнению с первым, так как вероятность соударения одного и того же электрона с двумя атомами значительно меньше, чем вероятность однократногосоударения. Третий и последующие максимумы соответствуют трехкратному ит.д.

соударениям и могут наблюдаться при очень тщательном подборе давлениягаза и геометрии лампы. Франку и Герцу удавалось наблюдать пять максимумов в парах ртути.В экспериментально полученных вольтамперных характеристиках значение энергии электронов, соответствующее положению первого максимума,отличается от резонансного. Это обусловлено тем, что начало вольтампернойхарактеристики может не совпадать с началом координат в основном из-законтактной разности потенциалов между изготовленными из разных материаловкатодом и сеткой, которая может достигать нескольких вольт.

Поэтому резонансный потенциал определяется по расстоянию между соседними максимумами навольт-амперной характеристике.Работа выполняется с использованием лабораторного комплекса ФКЛ-6.Основной частью комплекса является газонаполненный триод с инертным газомпри низком давлении.В лабораторной установке это заполненная аргоном трехэлектродная лампаПМИ-2 (лампа, обычно используемая в ионизационном манометре).Устройство лампы приведено на рис.3. Катод и накал лампы соединены ипредставляют собой единый электрод. Данная конструкция позволяет избежатьпогрешности, связанной с возможностью появлений различных процессов междукатодом и нитью накала.Рис.3 Устройство лампы ПМИ-2: 1-нить накала; 2-сетка; 3-анод;4-стеклянный баллон4Упрощенная схема опыта Франка и Герца изображена на рис.4.Рис.4.Электрическая схема включения лампы ПМИ-2 и упрощенная схема опытаФранка и Герца: 1 -источник питания накала;2- источник питания ускоряющегонапряжения; 3- источник питания задерживающего потенциалаБлок-схема экспериментальной установки ФКЛ-6 для проведения опытаФранка и Герца изображена на рис.5.Экспериментальная установка позволяет снять вольтамперную характеристику триода (характеристику опыта Франка и Герца) и характеристики задержкиia=f(Vз).

Характеристика задержки дает возможность оценить сечение неупругогорассеяния электронов на атомах.Характеристики снимаются при двух температурах нити накала лампы:T~600 К и T~1200 К.5Рис.5Модуль развёртки G состоит из нескольких модулей, основная задача которых - выработка пилообразного напряжения нужной частоты, формы и длительности. Форма импульсов представлена на рис.6. Блок синхронизации вырабатывает синхроимпульсы для стабилизации изображения характеристики на экранеосциллографа. Синхроимпульсы подаются на вход X осциллографа, при этомосциллограф должен быть переведен в режим синхронизации внешним сигналом.6Uс-к амп., Вx,клетокРис.6. Форма сигнала, подаваемого на промежуток сетка - катод триодаНапряжение пилообразной формы подаётся на промежуток сетка-катод триода.

Потенциал сетки линейно возрастает относительно неизменного потенциалакатода. Таким образом, между сеткой и катодом лампы создаётся ускоряющеенапряжение, линейно меняющееся во времени – создается развёртка во временипо оси X осциллографа, а, так как напряжение Uсетка-катод пропорциональновремени t (Uc-к~kt), то развертка по времени есть развёртка по напряжению Uсеткакатод.

С помощью источника задерживающего напряжения Е между сеткой ианодом лампы создан задерживающий потенциал. Питание всех устройствосуществляется от стабилизированного источника питания.С резистора R снимается сигнал, пропорциональный анодному току IАНОД.лампы. В результате получаем на экране осциллографа вольт-амперную характеристику лампы, т. е. зависимость тока анода IАНОД. от ускоряющего напряженияUсетка-катод, имеющий вид, аналогичный рис.2.Переменным резистором «УСТАНОВКА Uc-к / УСТАНОВКА Uзад» имеется возможность регулировать значение ускоряющего напряжения подаваемогона сетку-катод лампы в эксперименте Франка и Герца и задерживающего напряжения в эксперименте по оценке сечения неупругого рассеяния.Цифровой измерительный прибор, собранный на базе ЖКД LCD дисплея имикроконтроллера, служит для измерения амплитудного значения этих напряжений.7Таким образом, вольтметр фактически показывает напряжение в крайнейправой точке вольт-амперных характеристик рис.

7.Рис.7 Вольт-амперная характеристика триода, полученная на учебной установке ФКЛ-6. Опыт Франка и ГерцаКак было сказано выше, измерение амплитудного значения напряжения иамплитудного значения тока производится при помощи встроенного цифровогокомбинированного «ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА» (вольтметр, микроамперметр). Таким образом, в данной установке микроамперметр, аналогично вольтметру, показывает значение тока в крайней правой точке характеристики.Через каждый период следования пилообразных импульсов вольтампернаяхарактеристика повторяется (Рис.7).83.

Порядок выполнения работы.Перед выполнением работы рекомендуется ознакомиться с работой электронного осциллографа. Блок – схема включения лабораторного модуля совместно с осциллографом приведена на рис.8Рис.8. Блок- схема включения лабораторного модуля ФКЛ-6.1. Перед включением установки в сеть проверьте целостность соединительных и сетевых проводов.2. Ознакомьтесь с блок-схемой включения модуля ФКЛ-6, приведенной на рис.8.

Подключить выход «ВЫХОД Y - СИГНАЛ» учебнойустановки к входу Y осциллографа, выход «ВЫХОД X СИНХРОНИЗАЦИЯ» к входу X внешней синхронизации электронногоосциллографа.3. Включите осциллограф и лабораторную установку в сеть напряжением ~220 В проводами евро – стандарта из комплекта.4. Поставьте кнопку «СЕТЬ» на панели осциллографа во включенное положение. ( Кнопка ( ВКЛ/ ВЫКЛ ) справа от экрана осциллографа ).При этом должна загореться сигнальная лампа на панели осциллографа.5. Поставьте переключатель «СЕТЬ» на панели модуля ФКЛ-6 вположение «ВКЛ», при этом должен загореться сигнальный светодиод«СЕТЬ» на панели модуля.