Лабораторные работы по всем темам.Физика / Физика 2009 (F) / КВ_МЕХ / LR319

Лабораторная работа № 319

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ

(опыт Франка и Герца)

ВВЕДЕНИЕ

Гипотеза Бора о существовании состояний атомов с дискретными значениями (уровнями) энергии Е₁, Е₂, Е₃,… нашла эксперимкнтальное подтверждение в опыте Франка и Герца (1914г.).

В своем опыте они изучали изменение кинетической энергии ускоренных в электрическом поле электронов при соударениях их с атомами разреженных газов. В качестве газа использовались пары ртути.

В стеклянной колбе (рис.1), заполненной парами ртути при низком давлении (р<1 мм.рт.ст.), имелись три электрода: катод К, сетка С и анод А.

Электроны, вылетевшие из разогретого катода, ускорялись в электрическом поле с разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Эта разность потенциалов могла плавно изменяться с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле противоположного направления, тормозащее движение электронов от сетки к аноду. Чтобы начальные скорости (кинетические энергии) электронов, вылеттающих из катода, не влияли на результаты измерений, температура катода была невысокой.

На рисунке 2 показана зависимость анодного тока I_а от напряжения U между катодом и сеткой. Видно, что вначале с ростом напряжения U анодный ток возрастает, но, достигнув максимума при напряжении U₁, резко уменьшается. С дальнейшим повышением напряжения U анодный ток вновь растет до второго максимума при напряжении U₂ и вновь падает.

Наблюдаемая зависимость I_а от U может быть объяснена следующим образом.

Вследствие дискретности энергетического спектра атомы могут поглощать энергию возбуждения только порциями ΔЕ₁=Е₂–Е₁, ΔЕ₂=Е₃–Е₁ и т.д. Пока энергия электронов, приобретенная в электрическом поле (еU) меньше ΔЕ₁, соударения их с атомами носят упругий характер, и внутренняя энергия атомов не меняется. В этом случае ускоренные электроны проходят через сетку, преодолевают задерживающее электрическое поле и достигают анода. С увеличением напряжения U число таких электронов возрастает, стало быть, растет и анодный ток.

Когда энергия электронов, накопленная в электрическом поле, достигает значения ΔЕ₁ (т.е. еU₁ становится равным ΔЕ₁) атомы, поглощая энергию, переходят в возбужденное состояние, т.е. соударения электронов с атомами становятся неупругими. Напряжение U₁ принято называть критическим, или резонансным напряжением. Электроны, передавшие энергию атомам при соударении, продолжают движение с малой кинетической энергией, недостаточной для преодолевания задерживающего поля между сеткой и анодом. Такие электроны улавливаются сеткой, образуя сеточный ток. Анодный ток при этом уменьшается.

Аналогичные явления имеют место и при напряжениях, кратных U₁. Так, при напряжении U₂=2U₁ электроны могут дважды испытать неупругие соударения с атомами между катодом и сеткой, при U₃=3U₁ – трижды и т.д. При каждом неупруном соударении атомам передается энергия равная ΔЕ₁. Следовательно, ΔЕ₁ – наименьшая возможная порция (наименьший квант энергии), которая может быть поглощена атомом.

Если понизить давление газа, то длина свободного пробега электронов возрастает. На большой длине пробега электроны могут приобретать энергию, равную ΔЕ₂=Е₃–Е₁ и более.

Поэтому при сильных разрежениях могут наблюдаться максимумы, соответствующие более высоким энергиям возбуждения атомов.

Таким образом, результаты опыта Франка и Герца являются прямым доказательством существования состояний атомов с дискретными значениями энергии.

Экспериментальная установка

Внешний вид экспериментальной установки показан на рис.3.

Электрическая схема аналогична изображенной на рис.1. Основным элементом установки является лампа Л типа ВМ-2. напряжение между катодом и сеткой регулируется потенциометром П и измеряется вольтметром U. Анодный ток измеряется микроамперметром А. Тумблером К включается питание установки.

Порядок выполнения работы

1. Включить установку в сеть напряжением 220В.

2. Перевести тумблер К в верхнее положение и через 2–3 минуты прогрева накала лампы приступить к измерениям.

3. Устанавливая с помощью потенциометра П значения напряжения U, указанные в таблице 1, измерить соответствующие значения анодного тока I (в делениях шкалы прибора).

Т А Б Л И Ц А 1

U,B	2	4	6	8	10							58	60
I(дел)

4. Результаты измерения анодного тока I_а занести в табл.1.

5. Выключить тумблер К и отключить установку от сети.

6. По данным таблицы 1 построить график зависимости анодного тока I_а от напряжения между катодом и сеткой U.

7. Из построенного графика найти критические напряжения U₁ и U₂.

8. Полученное значение U₁ сравнить с потенциалами возбуждения U_возб различных атомов, приведенными в таблице 2. Ответить на вопрос: каким газом наполнена лампа?

Т А Б Л И Ц А 2

Атомы	Hg	Zn	He	Na
Uвозб,В	4,9	4,1	19,75	2,1

9. Рассчитать энергию возбуждения атомов, заполняющих лампу, в джоулях

ΔЕ₁=еU₁ (е=1,6·10^–19Кл)

10. Определить длину волны излучения атомов при переходе их из возбужденного в невозбужденное состояние.

λ=с/ν=сh/ΔЕ₁ h=6,6·10^–34Дж·с

с=3·10⁸м/c

ПОСТУЛАТЫ БОРА

1. атомы могут находиться в стационарных состояниях, не изменяющихся во времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает и не поглощает электромагнитные волны.

2. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные, квантованные значения момента импульса.

L_n=m_e νr=nħ n=1,2,3…

Где m_e – масса электрона, ν – скорость электрона, r – радиус круговой орбиты, ħ=h/2π (h – постоянная Планка), n – главное квантовое число.

3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант энергии, равный разности энергий этих состояний. Величина светового кванта равна

hν=E_ni– E_nj,

где E_ni, E_nj – энергия атома в двух стационарных состояниях.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как формулируются квантовые постулаты Бора?

2. Какова цель опыта Франка и Герца?

3. Какова схема опыта Франка и Герца?

4. Какова роль термоэлектронной эмиссии в данном опыте?

5. Почему, изменяя напряжение между катодами и сеткой, можно управлять кинетической энергией электронов?

6. Какие удары называются упругими и неупругими?

7. Почему столкновения электронов с атомами носят различнй характер (упругие и неупругиу) в зависимости от кинетической энергии электронов?

8. Как объяснить образование максимумов и минимумов на анодной характеристике лампы?

9. Почему анодный ток в минимумах не спадает до нуля?

10. Что происходит с атомами после неупругого соударения с электроном? К какой области спектра относится вычисленная в данной работе длина волны излучения атомов?

11. Можно ли в опыте Франка и Герца установить значения потенциалов возбуждения атомов более высоких порядков, чем первый? Если можно, как это осуществить?

ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев В.И. «Курс общей физики» Т.3 М.:Наука 1977

2. Детлаф А.А.,Яворский Б.М. «Курс общей физики» Т.3 М.:Высш.школа 1979

3. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. «Практикум по физике» М.:Высш.школа 1965

4. ЗисмангА., Тодес О.М. «Курс общей физики» Т.3 Физматгиз 1979

5. Майсова Н.Н. «Практикум по курсу общей физики» М.:Высш.школа 1970.