Обработка результатов:

Вольтамперная характеристика I=f(U₂):

Исходя из данных протокола, максимумы тока наблюдаются на значениях напряжения 17 В и на промежутках 28-36 В и 42-50 В. Ввиду равных значений тока из промежутков, возьмём средние значения 32 и 46 В.

Энергия возбуждения определяется из разницы напряжений в точках максимумов, и будет равна E₁=15 эВ, E₂=14 эВ.

По табличным данным, потенциал возбуждения атома неона составляет 16,6 В, что близко к полученному в эксперименте результату.

Вывод: В работе исследована вольтамперная характеристика для неонового газа. Определена энергия возбуждения из разницы напряжений в точках максимума тока. На разных промежутках от одного максимума до другого значения потенциала совпадают, из чего можно судить о дискретном характере уровней энергии атомных систем. Полученное значение близко к табличному. Погрешность составляет 10%, что говорит о достаточной неточности, однако для получившейся выборки всего из 2 значений это можно считать приемлемым.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключается основная идея опытов Франка и Герца?

Опыт Франка и Герца позволяет убедиться, что атомы могут поглощать энергию только определенных значений, переводящих их из одних состояний в другие, и что энергетические спектры атомов дискретны.

Идея опыта состоит в том, что электроны, ускоренные электрическим полем, при столкновениях с атомами могут передавать им всю или часть своей кинетической энергии, которая идет на возбуждение атомов.

2. Сформулируйте постулаты Бора.

Постулат стационарных состояний.  Каждому из стационарных (квантовых) состояний, в котором находится атомная система, соответствует определённый уровень энергии. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает. 

Правило частот.  Переход атома из одного квантового состояния, характеризующегося энергией, в новое квантовое состояние, происходит излучение или поглощение кванта энергии. Энергия кванта при этом определяется как разность энергий двух квантовых состояний.

3. Что понимается под упругими или неупругими соударениями электронов с атомами?

Упругое столкновение - атом остается в том же энергетическом состоянии, что и был (обычно в основном состоянии). Сумма кинетических энергий атома и электрона не изменяется.

Неупругое столкновение - атом переходит в новое, более высокое энергетическое состояние (возбуждение столкновением). Сумма кинетических энергий атома и электрона уменьшается.

4. Изобразите принципиальную электрическую схему Вашего опыта в данной лабораторной работе.

Рис. 3 в общих сведениях.

5. Изобразите вольтамперную характеристику трубки с горячим катодом: а) в отсутствии паров ртути; б) в присутствии паров ртути.

6. На каких участках ВАХ электроны испытывают упругие соударения, а на каких – неупругие соударения? Почему?

Упругие соударения электроны испытывают при малом значении ускоряющего напряжения.  Это объясняется тем, что при таких условиях энергия электрона недостаточна для того, чтобы перевести атом в возбуждённое состояние, и происходят только упругие столкновения. При этом электрон почти не теряет энергию, так как масса электрона в тысячи раз меньше массы атома. 

Неупругие соударения происходят при увеличении ускоряющего напряжения. Это объясняется тем, что при таких столкновениях почти вся кинетическая энергия электрона расходуется на увеличение внутренней энергии атома. Из-за неупругих столкновений часть электронов отдаёт почти всю свою энергию атомам и не попадает на анод из-за наличия задерживающего напряжения.

7. Каким именно образом результаты опытов Франка и Герца подтверждают постулаты Бора?

Атомы поглощают энергию только определёнными дискретными порциями, то есть квантами. Энергия атомной системы не может изменяться непрерывно, она может обладать лишь определённым набором значений энергии. 

При скоростях электронов, меньших критической скорости, соударение происходит упруго. Электрон не передаёт атому своей энергии, но отскакивает от него, изменяя лишь направление своей скорости. 

При скоростях, достигающих критической скорости, удар происходит неупруго. Электрон теряет свою энергию и передаёт её атому, который при этом переходит в другое стационарное состояние, характеризуемое большей энергией. 

Атомы ртути, поглотившие энергию, излучают свет, энергия фотонов которого также равна 4,9 эВ, что подтвердило второй постулат Бора. 

8. Чем отличается нормальный атом от атома возбужденного?

Основное отличие нормального атома от возбуждённого заключается в состоянии электронов внешнего слоя. 

Нормальный атом находится в основном энергетическом состоянии, его потенциальная энергия равняется нулю. Возбуждённый атом возникает, когда атом получает дополнительную энергию.  При этом спаренные электроны на внешнем слое расспариваются, и один из них занимает следующую свободную орбиталь (этого же или следующего электронного подуровня). 

Возбуждённое состояние является для атома нестабильным, поэтому долгое время в нём он пребывать не может.

9. В возбужденном состоянии атом долго не остается. Что происходит при переходе с его электронной оболочкой?

Возбуждённое состояние атома является нестабильным, поэтому долгое время в нём он пребывать не может. 

При переходе в возбуждённое состояние форма электронной оболочки атома меняется, полная энергия атома повышается.  Говоря проще, при возбуждении пары электронов распариваются и занимают новые ячейки. 

Продолжительность пребывания атома в возбуждённом состоянии ограничена: он спонтанно, то есть самопроизвольно, частично или полностью теряет энергию возбуждения, испуская фотон и переходя на более низкий уровень энергии. Время жизни возбуждённого атома тем меньше, чем больше вероятность спонтанного перехода. 

10. Чем отличаются атомы нити горящей электрической лампы от атомов нити этой же лампы в холодном состоянии?

Атомы нити горящей электрической лампы отличаются от атомов нити этой же лампы в холодном состоянии тем, что в горящем состоянии они вибрируют. Это происходит из-за взаимодействия с движущимися электронами, которые бомбардируют атомы нити. 

Когда электроны из цепи входят в нить нагрева электролампочки, они заставляют атомы интенсивно колебаться.  Энергия колебаний приводит к выделению значительного количества тепла. 

После выключения лампы молекулы всё ещё накапливают дополнительную энергию, которую им передали электроны тока. Когда нить накала пытается достичь теплового равновесия с окружающей средой (остыть), эта дополнительная энергия заставляет молекулы в нити накала продолжать расслабляться, испуская фотоны.

11. Найдите энергию фотона с частотой колебаний световой волны 10¹⁵ Гц.

12. Какова длина волны фотона с энергией 3эВ?

13. Почему атом может принять любую порцию энергии, если она превышает энергию ионизации?

Атом может принять любую порцию энергии, которая превышает энергию ионизации, потому что энергия выброшенного электрона может иметь любое значение. 

Когда об атом ударяется электрон с достаточно высокой энергией, то атом ионизируется: из него выбрасывается электрон, после чего остаётся положительный ион.  При этом часть энергии внешнего воздействия тратится на ионизацию атома, а избыток энергии передаётся вырванному из атома электрону в виде его кинетической энергии, которая может иметь произвольную величину.

14. Длина волны красного света 800 нм, желтого 600 нм, фиолетового 400 нм. Найдите соотношение энергий их фотонов.

15. Почему длинноволновые линии образованы фотонами с малыми энергиями, но для их получения требуются возбуждающие электроны с большими энергиями?

Длинноволновые линии образованы фотонами с малыми энергиями, но для их получения требуются возбуждающие электроны с большими энергиями, потому что это происходит в результате различных процессов. 

В случае с длинноволновой полосой поглощения в кристаллах введение примеси или создание дефектов формирует локальные энергетические уровни в запрещённой зоне кристалла. Под действием возбуждающего света электрон может быть переведён с этого уровня в зону проводимости. Поскольку для этого требуется квант меньшей энергии, чем для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости, происходит появление длинноволновой полосы поглощения. 

В другом случае оптический переход, сопровождающийся испусканием фонона, имеет меньшую энергию, чем ширина запрещённой зоны, тогда как при поглощении фонона возникает фотон с более высокой энергией, который может быть вновь легко поглощён полупроводником.