методички для лаб.раб. по молек. физике / Лабораторная работа №7

ЛБОРАТОРИЯ МЕХАНИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

Лабораторная работа №7

Изучение распределения Максвелла-Больцмана для термоэлектронов.

Краткая теория.

Молекулы газа движутся с самыми различными скоростями, причем как величина, так и направление скорости любой молекулы меняется при каждом соударении. Число соударений очень велико, при нормальных условиях (Р=1атм, Т=273 К) оно равно приблизительно 10⁹ . Если газ предоставлен самому себе, то он будет находиться в состоянии равновесия, характеризуемом определенными параметрами P, V, T. За счет соударения установится определенное распределение молекул по скоростям, полученное теоретически Максвеллом

(1)

где m - масса молекулы, K — постоянная Больцмана. Если бы на молекулы не действовали внешние силы, то за счет соударений хаотического теплового движения газ равномерно распределился бы по всему предоставленному объему. Но в реальных условиях на молекулы действует сила притяжения со стороны Земли, поэтому число молекул в единице объема изменяется в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Хаотическое молекулярное движение и действие силы притяжения приводят к определенному распределению числа частиц в единице объема по высоте, установленному Больцманом

(2)

где m - масса молекулы, h - высота над поверхностью Земли. Поэтому произведение mgh есть потенциальная энергия в поле тяжести Земли, то формула (2) может быть переписана так:

(3)

Следствием распределения Больцмана является барометрическая формула, устанавливающая закон убывания давления с высотой (при постоянной температуре)

(4)

Распределения, установленные Максвеллом и Больцманом, справедливы и для электронов, испускаемых раскаленным катодом в электронных лампах, т. е. термоэлектронов.

Рассмотрим кратко процессы, происходящие в простейшей электронной лампе — диоде. Если подключить к источнику нить накала, а анодную цепь оставить разомкнутой, катод будет испускать электроны, скорости которых имеют различную величину и направления. Часть электронов осядет на аноде и между анодом и катодом возникает разность потенциалов, тормозящая дальнейшее движение электронов от катода к аноду. Установится распределение термоэлектронов в пространстве между анодом и катодом, подобное распределению молекул газа в поле тяжести Земли. Потенциальная энергия электронов в электрическом поле будет выражаться известным соотношением

(5)

где — заряд электрона, — разность потенциалов между катодом и какой-либо точкой межэлектродного пространства. Подставив (5) в формулу (3) получим

(6)

Соотношение (6) будет определять также и число электронов вблизи анода лампы, причем теперь означает разность потенциалов между катодом и анодом. Если теперь замкнуть цепь анода, электроны во внешней цепи будут перемещаться на катод, через лампу пойдет ток. Разность потенциалов изменится в зависимости от величины сопротивления в цепи анода. Ток в цепи анода будет пропорционален числу электронов вблизи анода и, следовательно, будет меняться в зависимости от разности потенциалов по закону, подобному соотношению (6),

(7)

Электроны вблизи катода будут находиться в тепловом равновесии с раскаленной поверхностью катода, следовательно, можно считать, что температура Т в (6) и (7) — это температура катода.

Описание установки.

Рис. 1

Принципиальная схема установки изображена на рис. 1. В цепь анода включается магазин сопротивлений R_a, и микроамперметр. Зная ток в цепи и сопротивления R_a, и R_m — внутреннее сопротивление микроамперметра, по закону Ома можно определить разность потенциалов между катодом и анодом Нить накала лампы питается от понижающего трансформатора TP1. Для регулировки тока накала и, тем самым, температуры катода, в цепь включено сопротивление R_k.

Выполнение работы

Для проведения измерений необходимо собрать схему в соответствии с рис. 1. С помощью сопротивления R_k, устанавливается определенный ток накала, при котором стрелка микроамперметра отклоняется почти на всю шкалу. R_a при этом должно быть мало. Затем, меняя R_a,снимают зависимость тока анода от разности потенциалов между анодом и катодом и строят соответствующий график. Удобно выражение (7) прологарифмировать

(8)

Натуральный логарифм тока зависит по линейному закону от разности потенциалов.

Задание.

1. Снять зависимость тока анода от разности потенциалов.

2. Построить график в соответствии с формулой (8).

3. Определить температуру катода.

4. Измерения повторить 3 раза и построить график.

5. Для каждой температуры определить среднеквадратичную и наивероятнейшую скорость электронов.

Контрольные вопросы.

1. Нарисовать график, соответствующий распределению Максвелла и объяснить его форму.

2. Что такое наивероятнейшая скорость? Как она определяется?

3. Вывести барометрическую формулу и получить распределение Больцмана.

4. Как определяется среднеквадратичная и

5. среднеарифметическая скорости молекул. Как изменяется распределение Максвелла с изменением температуры газа, молекулярного веса?

Литература

1. Кикоин А. Е., Кикоин И. К. Молекулярная физика. Изд. "Наука", 1976. §§ 8, 9, 12-15.

2. Савельев И. В. Курс общей физики . Т. 1. Изд. "Наука", §§ 106, 108, 109.

8