Метод измерения и описание аппаратуры

Определение второго, третьего и следующих потенциалов возбуждения представляет значительную экспериментальную труднолсть и требует применения специальной аппаратуры. Первый же, резонансный потенциал можно определить с помощью простого устройства, представляющего собой трёхэлектродную лампу, заполненную парами металла или инертным газом. Для доказательства существования неупругих соударений и определения значения потенциала, при котором они наблюдаются, удобно использовать метод задерживающего поля. Электрическая схема соответствующей установки представлена на рис.1. Электроны, испускаемые накалённым катодом К, ускоряются электрическим полем между сеткой С и катодом и направляются к аноду, который в данном случае является собирающим электродом СЭ, то есть коллектором. Между сеткой и коллектором создаётся слабое тормозящее поле. Поэтому только те электроны, которые обладают кинетической энергией, достаточной для преодоления тормозящего поля, достигнут коллектора и создадут ток, регистрируемый гальванометром Г. Если постепенно увеличивать ускоряющий потенциал с помощью потенциометра П и одновременно измерять ток с помощью гальванометра, то в результате получается некоторая вольт-амперная характеристика, изображенная на рис.2.

СЭ

К С Г

+ 

V

E₁

 + E₂Рис.1

6

I

I₂

I_I

I

0 U_I U U₂ U₃ U

Рис.2

Начальный участок этой характеристики имеет вид, обычный для вольт-амперных характеристик термоэлектронных прибо­ров. Но при потенциале U_I ток внезапно резко падает, а затем вновь начинает возрастать до потенциала U₂, при котором вновь обнаруживается резкое падение тока и новое его воз­растание до потенциала U₃. Например, в случае, если опыт проводится в парах ртути, то U_I  4,1 В; U₂ = 9,0 В и U₃ =13,9 В. Таким образом, вся кривая представляет собой ряд острых максимумов, отстоящих друг от друга на расстоянии 4,9 В.

Истолкование максимумов на вольт-амперной характери­стике не представляет затруднений. До тех пор, пока энергия электрона не достигает eU_I,он испытывает с атомами газа упругие соударения, и ток возрастает с увеличением потен­циала по обычному закону. При потенциале U_Iудар стано­вится неупругим, электрон отдает при соударении атому всю энергию. Эти электроны не попадут на коллектор, и ток резко упадет.

Если энергия электронов заметно превосходит eU_I,то та­кие электроны, потеряв часть своей энергии при неупругом столкновении, сохраняют достаточный избыток энергии и по­тому, несмотря на наличие положительно заряженной сетки, достигают коллектора, а значит, при увеличенииU ток начинает возрастать. Если уско­ряющий потенциал достаточно велик, так что U  U_I,то на оставшемся пути электрон может испытать еще одно или два (в зависимости от величины U)неупругих соударения, в результате которых атом также переходит в первое возбуж­денное состояние. В этом

7 и заключается причина периодического повторения максимумов. Величина энергии eU₁ характеризует атомы элемента, заполняющего лампу.Мень­шую энергию атомы воспринять не могут, так как при такой энергии бомбардирующих их электронов удар происходит вполне упруго; энергию же eU₁ они воспринимают полностью. Но это и означает в согласии с первым постулатом Бора, что атом рассматриваемого элемента может обладать не любыми значениями энергии, а только избранными. Для сравнения на рис.2 пунктиром изображена вольт-амперная характери­стика вакуумной электронной лампы.

Для проведения опыта Франка и Герца с использованием постоянного ускоряющего напряжения необходимо применять специально изготовленные трехэлектродные лампы. Если же применять переменное ускоряющее напряжение, то можно использовать стандартные газонаполненные приборы, например, тиратроны, а вместо гальванометра применять в цепи коллек­тора осциллограф. Электрическая схема используемой в дан­ной работе установки имеет вид, изображенный на рис.3. Источником переменного напряжения, приложенного между сеткойС и катодомКтиратронаТ,служит звуковой генератор. Накал катода осуществляется от понижающего трансформа­тора.

На вход

осциллографа

R

СЭ

Т

С

К

На вход звукового

генератора

На трансформатор

6,3 В

Рис.3

Установка работает следующим образом. Переменное на­пряжение, приложенное между сеткой и катодом, периодиче­ски меняет энергию элек-

8 тронов. При этом первый полупериод лампа заперта, так как на катоде оказывается положитель­ный потенциал.Во второй полупериод через лампу идет элект­ронный ток. Тормозящее поле создает за счет падения на­пряжения на сопротивлении R(присоединенном к аноду, яв­ляющемуся собирающим электродомСЭ)в результате про­хождения через него электронного тока.

U

0 t

U

I

0 t

I

I_I

Рис.4

На вертикально отклоняющие пластины осциллографа по­дается напряжение, снятое с сопротивления R,которое про­порционально электронному току. На горизонтально отклоня­ющие пластины осциллографа подано напряжение горизонтальной развертки (рис.4а). При синхронности напряжения развертки и сеточного напряжения (а следовательно, и напря­жения, снимаемого с сопротивления R),на экране наблюда­ются неподвижные осциллограммы, на которых отклонение электронного луча пропорционально электронному току в лам­пе. Однако, отклонение луча происходит вниз, и поэтому кар­тина, наблюдаемая на экране осциллографа (рис.4б)ока­зывается «перевернутой» по отношению к вольт-амперной ха­рактеристике, изображенной на рис.2: минимумам этой ха­рактеристики соответствуют максимумы на экране и наоборот, максимумам минимумы.

Картина, наблюдаемая при этом на экране осциллографа, поясняется рисунком 5. По мере повышения напряжения на сетке импульсы тока через сетку увеличиваются по ампли­туде (рис.5а) до тех пор, пока напряжение U_С не

9

станет равным такому U_I, при котором начнутся неупругие столк­новения электронов с атомами газа, заполняющего тиратрон (рис.5б).При дальнейшем увеличении U_Сна осциллограмме тока появ­ляется первый максимум (рис.5в), который растет по мере приближе­ния U_С к U, то есть к напряжению, соответствующему первому минимуму вольт-амперной характеристики лампы (см. рис.2).Если напряжение U_Спродолжать увеличивать, то амплитуда импуль­сов тока вновь начнёт расти вплоть до напряженияU_С2 = U₂ (рис.5в), при котором электроны на пути от катода к аноду станут испытывать уже не одно, а два упругих столкнове­ния. При ещё больших значениях U_Сто на экране можно на­блюдать появление второго максимума осциллограммы (что соответствует второму минимуму на рис.2).

a) б) в) г)

при U_С  U₁ U_С  U₁ U_С  U U_С  U₂

Рис.5

При достижении резонансного потенциала в лампе наблю­дается резонансное свечение, связанное с переходом атомов инертного газа с первого возбужденного уровня на основной. Резонансный потенциал удобно определять по разности напря­жений, соответствующих появлению первого и второго макси­мумов. Зная резонансный потенциал, можно определить раз­ность энергий двух стационарных состояний сn  2 и n  1.

Е₂– Е₁  h_I  e(U_С2  U_С1)  e(U₂  U_I) (4)

и излучаемую длину волны

_I  , (5)

где е - заряд электрона, с - скорость света в вакууме. Проводя измерения, следует помнить, что амплитудное значение напряжения на сетке U_С  U_Г, где U_Г - пока­зания вольтметра звукового генератора.

10