Квантовая физика. Лабораторный практикум

кого состояния на возбужденный уровень. Любой электрон, испытавший подобное столкновение, теряет энергию и уже не может преодолеть задерживающего электрического поля, т. е. не достигает анода. В итоге наблюдается падение анодного тока. При дальнейшем увеличении U спад тока прекращается и ток начинает возрастать. Но затем он достигает максимума и снова резко падает. Это новое падение тока наблюдаются при значении

U2 ≈ 2 4,9 В (далее U3 ≈ 3 4,9 Â).

Электроны с энергией 2 4,9 эВ имеют возможность почти полностью растерять энергию на пути к сетке. Это произойдет с теми из них, которые дважды испытают столкновения с атомами.

Уточнение. В реальном опыте вольт-амперная характеристика оказывается смещенной влево по сравнению с идеальной кривой (в случае ртути U1 ≈ 4,1 В). Дело в том, что в ускоряющих трубках с горячим катодом катод и анод сделаны из различных металлов и поэтому между ними существует некоторая контактная разность потенциалов. Эта разность ускоряет электроны даже при отсутствии приложенного извне напряжения. Ясно, что сдвиг кривой не изменяет расстояния U2 – U1 между точками спада тока. Следовательно, можно корректно найти потенциал возбуждения ϕ1 на основе формулы

Описание лабораторной установки

Модуль “Определение потенциалов возбуждения атомов” позволяет изучать параметры газа, наполняющего трехэлектродную лампу (манометрическая ДМИ-2 с инертным газом при давлении 1–3 мм рт.ст.). Устройство лампы показано на рис. 2. Нить накала 1 одновременно является катодом лампы. Сетка 2 выполнена в виде спирали, навитой вокруг нити накала. Вокруг сетки расположен цилиндрический анод 3. Стеклянный баллон лампы 4 установлен на цоколе 5. Контакты катода и сетки выведены на ножки цоколя, анод соединен с колпачком на баллоне лампы.

Схема включения лампы (рис. 3) воспроизведена на лицевой панели модуля. Регулируемый источник 1 тока накала позволяет установить ток, при котором получается удобная для измерений вольт-амперная характеристика лампы. Между катодом и сеткой включен источник 2 ускоряющего напряжения. При снятии характеристик вручную (по точкам) напряжение этого источника

51

регулируется ручкой на панели модуля. Для получения характеристик на экране осциллографа этот источник переводится в режим, при котором его напряжение изменяется по пилообразному закону (развертка) с частотой 15–20 Гц. Потенциал анода относительно сетки устанавливается отрицательным с помощью источ- ника задерживающего напряжения 3. Значение этого напряжения регулируется в пределах от 0 до 6 В ручкой со шкалой на панели модуля. Для измерения анодного тока измеряют падение напряжения в на резисторе RA, включенном последовательно с анодом. Отметим, что измеряемые параметры, как правило, выводятся на измерительные приборы не непосредственно, а после их обработки электронной схемой. Однако наиболее важное для конечного результата ускоряющее напряжение Uóñê выводится на гнездо панели модуля напрямую.

В модуле размещены две лампы, наполненные различными газами. Выбор лампы производится тумблером Ë1/Ë2 на передней панели блока.

Вид на переднюю панель модуля приведен на рис. 4. Исследуемые лампы видны в окне 8.

Стрелочный измерительный прибор 3 измеряет анодный ток IA, предел шкалы прибора – 100 мкА. Ручка Uç 4 устанавливает значе- ние задерживающего напряжение в соответствии с надписями на

52

Ðèñ. 4

53

шкале, расположенной вокруг ручки. На гнездо Uóñê 13 выведено ускоряющее напряжение.

Значения Uç è Uóñê измеряются мультиметром на соответственно обозначенных гнездах относительно общего провода схемы, выведенного на два гнезда 11.

На гнездо Y 10 выведено напряжение, пропорциональное анодному току IA (максимальное напряжение 10 В соответствует току 100 мкА). На гнездо X 12 выведено напряжение, пропорциональное напряжению Uóñê (максимальному напряжению 10 В соответствует ускоряющее напряжение 100 В). Контроль тока накала осуществляется измерением напряжения на резисторе Rí = 1,00 Ом между гнездами Ií è Uóñê. Значение измеренного напряжения в вольтах равно зна- чению тока в амперах.

Порядок выполнения работы

Исходное состояние установки до включения должно быть следующим:

–регулятор тока накала 7 на минимальной отметке (крайнее положение при повороте против часовой стрелки);

–регуляторы ускоряющего напряжения 5 è 6 в аналогичном положении;

–в мультиметре 2 указатель стоит в секторе DСV на отметке 200;

–три нижних тумблера (слева на панели прибора) направлены вниз;

–четвертый (переключатель ламп) установлен в соответствии с указанием преподавателя (положение Ë1 – гелиевая лампа, Ë2 – неоновая).

Установку следует включать тумблером «сеть» – но только после проверки правильности исходного состояния.

Предварительная подготовка опыта

1.Регулятор 4 (задерживающий потенциал) поставить ( ≈ ) на отметку 4 В.

2.Регулятор 6 (грубая регулировка Uóñê) расположить в диапазоне 25–30 В.

3.Регулятор тока накала 7 поставить на отметку 1 А и затем плавно, вращая, повышать ток до тех пор, пока на верхней шкале 3 стрелка не займет среднего положения, т. е. 40–60 мкА (прибор 3 используем в качестве микроамперметра, принимая крайнее зна- чение за 100 мкА).

4.Регулятор 6 вернуть в исходное (крайнее) положение.

54

5. Попросить преподавателя проверить готовность установки к работе.

Изучение вольт-амперной характеристики (В-А)

1.Предварительный просмотр В-А характеристики производится

âосновном посредством грубого регулятора 6, увеличивая Uóñê (и следя за показаниями микроамперметра 3) удается приблизительно определить положение четырех экстремумов.

2.При подробном исследовании на первом участке возрастания следует определить 5–6 точек (используя по U шаг порядка 2 В).

3.Область от 1-го экстремума до 2-го (участок убывания) следует проходить с мелким шагом (порядка 0,5 В), привлекая для этого «плавный » регулятор 5.

4.Аналогичным образом исследуется второй участок возрастания и следующий за ним участок убывания.

Выключение установки

Регулятор тока накала 7 вернуть в исходное положение (крайнее положение при повороте против часовой стрелки); регуляторы ускоряющего напряжения 5 è 6 перевести в аналогичное положение; отключить прибор от сети тумблером «сеть».

Дополнительное пояснение к процедуре измерения

Рукоятки 5 è 6 служат для изменения и регулировки значений

Uóñê.

Точное значение Uóñê определяется по шкале мультиметра (и не совпадает с суммой данных на шкалах 5 è 6).

Обработка результатов измерений

По полученным точкам строится В-А характеристика (рис. 5). Значения ускоряющего напряжения U1, U2, соответствующие пер-

вому и второму спаду анодного тока находятся из графика по соответствующим значениям тока I1, I2. Целесообразно выбирать эти значения посередине участков спада, т. е.

Первый (резонансный) потенциал возбуждения атомов газа, заполняющего лампу, определяется как разность значений U2 è U1,

55

IA

I1

Imin1

Ðèñ. 5

Мультиметр позволяет измерить значения Uóñê с погрешностью порядка 0,1 В.

Приблизительно считая участок спада прямой линией, можно принять

U1 ≈ (U(Imax1) + U(Imin1))/2, U2 ≈ (U(Imax2) + U(Imin2))/2. (6)

Отсюда можно получить ΘU1 , ΘU2 , а затем оценить Θϕ1

Эта оценка довольно приблизительная. Положение экстремума находится по отдельным измерениям не вполне точно. При более детальном анализе соответствующий участок кривой можно аппроксимировать параболой и определить ее вершину.

56

Библиографический список

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

2.Савельев И. В. Курс физики М.: Наука, 1989. Т. 3.

3.Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. М.: Академия, 2003.

4.Детлаф А. А., Яворский Б. М. Справочник по физике. М.: Наука, 1990.

5.Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1996.

6.Сивухин Д. В. Курс общей физики. М.: Физматлит, 2002. Т. 4.

57

58

Учебное издание

Весничева Галина Андреевна Коваленко Иван Иванович Литвинова Надежда Николаевна Орлов Валерий Федорович Прилипко Виктор Константинович Царев Юрий Николаевич Шифрин Борис Фридманович

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Лабораторный практикум

Редактор А. В. Семенчук

Компьютерная верстка А. Н. Колешко

Сдано в набор 17.05.04. Подписано к печати 22.09.04. Формат 60Ч84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,42. Усл. кр.-отт. 3,54. Уч. -изд. л. 3,3. Тираж 1000 экз. Заказ ¹ 417.

Редакционно-издательский отдел Отдел электронных публикаций и библиографии библиотеки

Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67

59