electricity Labworks / 2.1-2.8 Электрический ток / Labwork(electricity)2-1

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Лабораторная работа 2.1

ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ИОНИЗАЦИИ АТОМОВ

Цель работы - изучение взаимодействия электронов малой энергии с атомами газа и измерение потенциалов возбуждения и ионизации.

Атомы вещества могут находиться в состояниях с различными значениями энергии, в основном когда энергия атома минимальна (Wo ), и в одном из возбужденных состояний. Энергия возбужденного состояния может принимать только дискретные значения Wn > Wo , определяемые структурой данного атома. Разность энергий двух состояний

∆Wmn = Wm −Wn (1)

называют энергией перехода из состояния (или энергетического уровня) номер m в состояние (на уровень) номер n. Величину

Un = (Wn −Wo) / e (2)

принято называть потенциалом возбуждения n-го уровня. При переходе на более высокий (с большей энергией) уровень атомы поглощают энергию, а на более низкий - отдают ее. Переходы атома с уровня на уровень могут происходить как в результате поглощения или исчезновения фотона (радиационные переходы), так и в результате столкновений с другими частицами (безизлучательные, или релаксационные переходы). Безизлучательные переходы в возбужденное состояние могут происходить, в частности, под действием электронного удара - столкновения свободных электронов с неподвижными атомами. При этом оказывается, что поглощение проходящих через вещество электронов существенно зависит от их энергии. Для изучения этой зависимости в настоящей работе используется схема рис.1.

Электроны, эмитируемые катодом тиратрона ТГ 1 - 0,1/0,3, приобретают под действием ускоряющего поля в пространстве сетка - катод кинетическую энергию WК=eUСК , где UСК - разность потенциалов сетка - катод. Сетка и анод тиратрона находятся почти под одинаковым потенциалом (Uca = R1Ie << Ucк , Ie - ток электронов). В пространстве сетка - анод электроны испытывают многократные соударения с атомами газа, заполняющего тиратрон.

Будем следить за изменением анодного тока тиратрона по мере роста Uск. Если энергия электронов меньше энергии возбуждения первого уровня атомов газа

(Wк < ∆W10 ), имеют место только упругие соударения; электроны при этом изменяют направление скорости, сохраняя практически неизменной ее величину. Преодолев разность потенциалов Uca , электроны попадают на анод.

Рис. 1. Схема для изучения возбуждёния и ионизации атомов электронным ударом

Если энергия электронов равна энергии возбуждения какого-либо из уровней атома, удар происходит неупруго. Электроны, претерпевшие соударение, теряют всю свою энергию и не могут преодолеть задерживающего потенциала анода. На вольт - амперной характеристике это выражается в замедлении роста анодного тока и образовании провала (рис. 2). Величина ускоряющего напряжения Uck, при которой происходит полная передача анергии атому, равна потенциалу возбуждения для данного сорта атомов.

Если энергия электронов заметно превосходит энергию возбуждения ближайшего уровня, то электроны, потеряв часть своей энергии при неупругом соударении, сохраняют еще достаточный избыток ее и потому достигают анода. На вольт - амперной характеристике этот процесс соответствует повторному нарастанию анодного тока.

Рис.2. Вольт - амперная характеристика тиратрона

При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения Uck электрон, двигаясь в пространстве сетка - анод может претерпеть несколько неупругих соударений с атомами газа. При каждом соударении электрон передает атому квант энергии, что приводит к появлению на вольт - амперной характеристике нескольких провалов тока, соответствующих значениям ускоряющего потенциала сетки кратным первому потенциалу возбуждения.

Вообще говоря, электронным ударом атом можно перевести и в более высокое

возбужденное состояние. В этом случае на кривой Ie = f (Ucк) будут наблюдаться

максимумы при напряжениях кратных второму потенциалу возбуждения атома, или при напряжениях Uск, равных сумме первого и второго потенциалов возбуждения. Однако экспериментальная методика при этом должна быть несколько видоизменена

(см./1б/).

При неупругом соударении электронов с атомами газа может произойти не только возбуждение, но и ионизация атома. Для реализации режима ионизации необходимо ускоряющий потенциал сетки увеличить до значения, соответствующего потенциалу ионизации атома. Тогда в процессе соударения появляются вторичные свободные электрона и положительные ионы. Двигаясь под действием поля к катоду, ионы нейтрализуют часть пространственного заряда. Вследствие этого термоэлектронный ток значительно увеличивается и происходит резкий рост анодного тока (участок АВ на рис. 2).

Таким образом, зависимость электронного тока от величины ускоряющего напряжения сетки дозволяет определить потенциалы возбуждения и ионизации атомов.

Измерение потенциалов возбуждения и ионизации газа также можно провести на установке, схема которой приведена на рис.3.

Рис.3. Схема установки для измерения потенциалов возбуждения и ионизации

газа

Ускоряющее напряжение в пространстве сетка - катод создается выпрямителем с цифровой установкой выходного напряжения. Анод тиратрона находится под отрицательным напряжением относительно катода. Поэтому электроны не могут попасть на анод и собираются сеткой; сеточный ток измеряют миллиамперметром.

Возбужденные атомы, возвращаясь в основное состояние, излучаю кванты света. Попадая на анод тиратрона, эти кванты вызывают фото - эффект. Фотоэлектронный ток анода (теперь этот электрод следовало бы называть фотокатодом) измеряют чувствительным гальванометром (предел измерений 0,1 мкА) или цифровым наноамперметром. При достижении потенциала ионизации положительные ионы нейтрализуют пространственный заряд у катода, что приводит к резкому возрастанию тока сетки. Чтобы не испортить тиратрон или миллиамперметр в цепи сетки, нужно установить на источнике ускоряющего напряжения предельный ток 30-40 мА. Таким образом, потенциалы возбуждения и ионизации четко фиксируются на зависимостях сеточного и анодного токов тиратрона от напряжения между сеткой и катодом (рис. 4); погрешность определения их связана в основном с контактной разностью потенциалов между катодом и сеткой.

Рис. 4. Зависимость сеточного Ic и анодного Ia токов тиратрона от напряжения сетка - катод Uск.

Задания

1. Соберите схему рис. 1. Регулировкой тока накала найдите оптимальный тепловой режим тиратрона (In=0,47A, число провалов на вольт - амперной характеристике 2 - 3). Зарисуйте осциллограмму и измерьте потенциал возбуждения.

2.Увеличьте ток накала до 0,55 А . Изменяя ускоряющее напряжение, найдите режим ионизации газа и измерьте потенциал ионизации.

3.Соберите схему (рис. 3) и проведите измерения. Постройте графики зависимостей сеточного и анодного токов от напряжения на сетке и определите потенциалы возбуждения и ионизации.

4.По полученным экспериментальным данным рассчитайте частоту и длину волны излучения возбужденных атомов, определите тип газа, заполняющего тиратрон. Укажите источники ошибок и оцените их величину.

5.Рассчитайте величину скорости "медленных" первичных электронов.

См. библиографический список: /15/.

Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть3. Электричество и магнетизм. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988

Физический факультет НГУ,1999

Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,1999,http://www.phys.nsu.ru/electricity/