№ 135 (1107959)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 135ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦАОписание составили д.ф.м.н. Антошина Л.Г. и асс. Мичурин А.В.Москва 2012 г.Подготовил методическое пособие к изданию доц. Авксентьев Ю.И.3ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦАТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬВ 1911 г.

английский физик Э. Резерфорд на основе излучения рассеяния -частиц атомами тяжелых элементов предложил планетарную модельатома, состоящего из тяжелого ядра и окружающих его электронов. Согласноэтой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Рассмотрение такого движения наоснове классических представлений приводило к парадоксальному результату – невозможности существования стабильных атомов: согласно классической электродинамике, электрон не может устойчиво двигаться по орбите,поскольку вращающийся электрический заряд, двигаясь с ускорением, должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию.

Радиус орбиты электрона должен непрерывно уменьшаться, и за время 10-8 сон должен упасть на ядро. Это означало, что законы классической физикинеприменимы к движению электронов в атоме, так как атомы не только существуют, но и весьма устойчивы.Выход из затруднения был предложен в 1913 г. датским физикомНильсом Бором, отказавшимся от применения к атому законов классическойэлектродинамики.

Бор предположил, что в случае атома Резерфорда непрерывное излучение, требуемое классической электродинамикой, не имеет места.Свои соображения Бор сформулировал в виде двух постулатов.1. Электрон в атоме водорода может находиться не в любых, а лишь в строгоопределенных дискретных энергетических состояниях, соответствующих егодвижению по строго определенным дозволенным круговым орбитам. Придвижении по дозволенным орбитам электрон не излучает и не поглощаетэнергии, поэтому указанные орбиты и соответствующие им энергетическиесостояния называются стационарными. Стационарные орбиты определяютсяследующим условием: момент импульса движения электрона на них являетсяцелым кратным некоторой постоянной величины ħ, т.е.mevr = Inn = nħ,где me – масса электрона, v – скорость электрона на орбите, r – радиус орбиты, n – номер орбиты, ħ – постоянная Планка, In – момент инерции электрона на орбите, n - угловая скорость электрона на этой орбите.

Число nназывается главным квантовым числом.2. Электрон может излучать или поглощать энергию только при скачкообразных переходах с одной стационарной орбиты на другую, при этом поглощение энергии происходит при переходах электрона с орбит, более близких кядру, на орбиты, более удаленные от него, а излучение при обратных переходах.

Энергия излучается и поглощается дискретными порциями, квантами,4величина которых равна разности полных энергий электрона En и Em настационарных орбитах, между которыми совершается переходħ = En - Em,где  - частота излучаемого (или поглощаемого) кванта.Как видно из приведенных формулировок постулатов Бора, оба они находятся в принципиальном противоречии с представлениями классическойэлектродинамики о движении зарядов. Действительно, согласно этим постулатам, электрон может двигаться с ускорением и при этом не излучать, частоты излучения  никак не связаны с частотами его обращения по орбитамn, устойчивое движение электрона возможно почему-то лишь с определенными величинами момента импульса на некоторых определенных расстояниях от ядра и невозможно на других расстояниях. Однако такая необычностьпостулатов Бора является всего лишь отражением своеобразия реальных законов, управляющих движением микрочастиц в особых условиях, условияхмикромира.Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытами, осуществленными в 1914 г.

Франком и Герцем. Схема ихустановки приведена на рис.1. В трубке, заполненной парами ртути под небольшим давлением (~ 1 мм.рт.ст.), имелись три электрода: катод K, сеткаC и анод A. Электроны, вылетавшие из катода вследствие термоэлектроннойэмиссии, ускорялись разностью потенциалов Uкс, приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было плавно менять с помощью потенциометра П.Рис.

1Рис. 2Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле (разность потенциалов порядка 0,5 В), тормозившее движение электронов каноду.Исследовалась зависимость силы тока Iа в цепи анода от напряженияUкс между катодом и сеткой. Сила тока измерялась гальванометром Г, напряжение – вольтметром В. Полученные результаты представлены на рис.2.Видно, что сила тока вначале монотонно возрастала, достигая максимума при5U = 4,9 В, после чего с дальнейшим увеличением U резко падала, достигаяминимума, и снова начинала расти. Максимумы силы тока повторялись приU, равном 9,8 В; 14,7 В и т.д.Такой ход кривой объясняется тем, что столкновения электронов сатомами могут быть упругими и неупругими.

При упругих столкновенияхсохраняется суммарная кинетическая энергия частиц, а изменение кинетической энергии каждой из них зависит от соотношения масс (здесь и далее тяжелый и медленный атом, по сравнению с лёгким и быстрым электроном,будем считать покоящимся до и после столкновения).

При неупругом столкновении электрона и атома кинетическая энергия электрона изменяется навеличину, равную изменению внутренней энергии атома. Изменение кинетической энергии электрона равно энергии перехода E1 :Wдо - Wпосле = E1Возбуждение атома (увеличение его внутренней энергии) может произойтилишь тогда, когда кинетическая энергия относительного движения электронаи атома будет превышать энергию перехода.До тех пор, пока энергия относительного движения электрона меньшеE1, соударения между электроном и атомом ртути носят упругий характер,при которых кинетическая энергия электронов не изменяется, причем, поскольку масса электрона во много раз меньше массы атома ртути, энергияэлектрона при столкновении практически не изменяется.

Часть электроновпопадает на сетку, остальные же, проскочив через сетку, достигают анода,создавая ток Iа в цепи гальванометра Г. Чем больше Uкс, тем больше скорость, с которой электроны достигают сетку, и тем, следовательно, большебудет сила тока Iа.Когда энергия относительного движения, накапливаемая электроном впромежутке катод – сетка, достигает значения E1, соударения становятсянеупругими, т.е. электроны при ударах об атомы передают им энергию E1 ипродолжают затем двигаться с меньшей скоростью.

Поэтому число электронов, достигающих анода, уменьшается. Например, при U = 5,3 эВ электронсообщает атому энергию, соответствующую 4,9 эВ (первый потенциал возбуждения атома ртути), и продолжает двигаться с энергией 0,4 эВ. Если даже такой электрон окажется между сеткой и анодом, он не сможет преодолеть задерживающее напряжение 0,5 В и будет возвращен обратно на сетку.В какую форму переходит энергия, потерянная электроном и воспринятая атомом ртути? Атомы, получившие при соударении с электроном энергию E1, переходят в возбужденное состояние, из которого они спустя время порядка 10-8 с возвращаются в основное состояние, излучая фотон = E1 / ħ.При напряжении, превышающем 9,8 В, электрон на пути катод-анодможет дважды претерпеть неупругое соударение с атомами ртути, теряя приэтом энергию 9,8 эВ, вследствие чего сила тока Iа снова начинает уменьшаться.

При еще большем напряжении возможны трехкратные неупругие со6ударения электронов с атомами, что приводит к возникновению максимумапри Uкс=14,7 В и т.д.Опыт Франка и Герца показал, что внутренняя энергия атома не можетизменяться непрерывно, а принимает определенные дискретные значения(квантуется). Впервые поставленный в 1913 г немецкими физикамиДж.Франком и Г.Герцем, опыт сыграл важную роль в экспериментальномподтверждении квантовой теории атома Н. Бора.Аналогичные опыты были выполнены и с другими, в первую очередь содноатомными благородными газами (He, Ne, Ar и др.) и парами одноатомных металлов. Все они привели к таким же результатам и позволили установить для этих атомов значения энергии, необходимые для перевода атома изодного устойчивого состояния в другое.Наилучшая оценка глубокой важности этих опытов для теории атомасделана самим Бором, подчеркнувшим, что эти опыты обосновывают гипотезу о дискретных стационарных состояниях атома.

Бор пишет: «При рас-смотрении подобных опытов едва ли можно освободиться от впечатления, что мы имеем дело с непосредственным и независимымдоказательством реальности особых стационарных состояний, кпредположению о существовании которых нас привели закономерности сериальных спектров».ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИЛампаРоль трубки в данной работе выполняет лампа специальной конструкции.Устройство лампы показано на рис.

3. Нить накала (1) одновременноРис. 3Рис. 47является катодом лампы. Сетка 2 выполнена в виде спирали, навитой вокругнити накала. Вокруг сетки расположен цилиндрический анод 3. Стеклянныйбаллон лампы 4 установлен на цоколе 5. Контакты катода и сетки выведенына ножки цоколя, анод соединен с колпачком на баллоне лампы.Принципиальная схема включения лампы приведена на рис.4. Она жевоспроизведена на лицевой панелиустановки (рис.5). Регулируемый источник тока накала 1 позволяет установить ток, при котором получается удобная для измерений вольтамперная характеристика лампы.

Между катодом и сеткой включен источник ускоряющего напряжения 2. Дляполучения вольтамперной характеристики на экране осциллографаэтот источник переводится в режим,при котором его напряжение изменяется по пилообразному закону с частотой 15-20 Гц. Потенциал анодаотносительно сетки устанавливаетсяотрицательным с помощью источника задерживающего напряжения 3.Значение этого напряжения регулируется в пределах от 0 В до 6 В ручкой со шкалой на панели установки.Для измерения анодного тока измеРис.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы