lab_opt / Лаб раб № 96
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Курский государственный технический университет
Кафедра «Теоретическая и экспериментальная физика»
ОПЫТ ФРАНКА-ГЕРЦА
Методические указания к выполнению лабораторной работы № 96 по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей
Курск 2005
2
Составители: А.А. Родионов, В.И. Разумов УДК 681.787.2
Рецензент Кандидат технических наук, профессор кафедры физики Г.Т. Сычёв
Опыт Франка-Герца: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 96 по разделу “ Атомная физика”/ Курск. гос. тех. Ун-т; Сост.: А.А. Родионов, В.И. Разумов. Курск, 2005. 11 с.
Содержат сведения по экспериментальному измерению критических потенциалов атома.
Предназначены для студентов инженерно-технических специальностей.
Иллюстр.: 6. Библиогр.: 4 назв.
Текст печатается в авторской редакции Оригинал-макет подготовлен Н.В. Комадиной
Подписано в печать |
. Формат 60х84 1/16. Печать офсетная |
||
Усл.печ.л. |
. Уч.-изд.л. |
. Тираж 100 экз. Заказ |
.Бесплатно |
Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного Технического университета. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября,94.
3
Лабораторная работа №96 ОПЫТ ФРАНКА – ГЕРЦА
Цель работы: измерение критических потенциалов атомов. Оборудование: лабораторный комплекс ЛКК-2
ВВЕДЕНИЕ
В 1913 году Нильс Бор предложил теорию атома водорода, объяснявшую устойчивость атома и дискретный характер его излучения. Основу теории Бора составляют следующие постулаты:
1)существуют некоторые стационарные состояния атомов, находясь в которых, атом не излучает и не поглощает энергию;
2)в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, имеет квантованное значение момента импульса
L = mvR = nH = n h , 2π
где m – масса электрона;
v – скорость его движения по круговой орбите радиуса R; n – 1, 2, 3,… – ряд целых чисел;
h – постоянная Планка;
3) при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии
hν = W = Wn − Wm ,
где ν - частота излучаемого или поглощаемого кванта; m, n – номера соответствующих состояний атома.
Если n<m, квант поглощается, если n>m – излучается. Используя законы классической физики и постулаты, Бор рассчитал радиусы орбит электрона и его энергию относительно ядра для атома водорода и водородоподобных атомов, т.е. атомов, у которых остался только один электрон:
R |
|
= |
h2ε 02 |
|
n2 , |
W |
|
= − |
Z 2 me4 |
|
n |
|
|
n |
|
||||||
|
πmZe |
2 |
|
|
|
8h2 |
ε 02 |
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
где Rn – радиус n-ой орбиты электрона; m – масса элетрона;
e – заряд электрона;
h – постоянная Планка;
1
h2
,
4
ε0 – электрическая постоянная;
Z – заряд ядра атома (порядковый номер элемента в таблице Менделеева);
Wn – полная энергия (кинетическая и потенциальная) электрона на n- ой орбите.
Третий постулат позволяет найти частоты, которые излучаются атомом при энергетических переходах:
|
hν = Wn -Wm |
= |
Z 2 ne4 |
|
1 |
- |
|
1 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|||||||||||
|
8h2ε 02 |
|
|
n2 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
m2 |
|
|
|
|
|||||||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ν = |
|
Z 2 me4 |
|
1 |
- |
|
1 |
= Z |
2 |
|
|
|
1 |
|
|
- |
|
1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
, |
||||||
|
8h3ε 02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n2 |
|||||||||||
|
|
m2 |
|
|
n2 |
|
|
|
|
p m2 |
|
|
|
|
|
||||||||
где Rp – постоянная Ридберга, Rp = |
me4 |
= 3,288 ×1015 c-1 . |
|
8h3ε 02 |
|||
|
|
||
Существование дискретного |
набора энергетических уровней |
||
атома подтверждается опытами Франка и Герца. Бомбардируя атомы электронами с заданной энергией, можно перевести первые в возбужденное состояние. Если кинетическая энергия налетающего электрона меньше или больше энергии, необходимой для перевода атома в возбужденное состояние, то столкновение с атомом будет “ упругим”, т.е. почти без потери энергии. Когда же энергия электронов eU становится равной энергии перевода атома на первый возбужденный уровень (n = 2), то происходит неупругое соударение с потерей кинетической энергии электроном. Разность потенциалов Uk, пройдя которую, электроны приобретают энергию, равную энергии возбуждения атома, называют критическим потенциалом. Критические потенциалы опре-
деляются методом задерживаю- |
Uн |
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
C |
|
A |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
щего потенциала с помощью га- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зонаполненного триода, включен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ного в схему, показанную на рис. |
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1
5
На анод А подается небольшой отрицательный потенциал относительно сетки С, примерно 0.5 В. Если соударения электронов в пространстве между катодом К и сеткой с атомами газа упругие, то электроны достигают анода, если неупругие – оседают на сетке, уменьшая анодный ток. Разность потенциалов между сеткой и анодом Uc можно измерять потенциометром R.
Изменяя эту разность потенциалов от нуля до нескольких десятков вольт и изменяя анодный ток, получаем зависимость J a (U c ) с не-
сколькими минимумами (например, для паров – при 4.9 В, 9.8 В, 14.7 В и т.д.). Отрицательный потенциал анода по отношению к сетке необходим для того, чтобы воспрепятствовать проникновению на анод медленных электронов, потерявших свою скорость вследствие неупругого взаимодействия с атомами газа. Это способствует более четкому проявлению минимумов анодного тока.
Рис.2. Лабораторный комплекс ЛКК-2М “ Опыт Франка и Герца”
6
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ КОМПЛЕКСА ЛКК-2
Модуль “ Опыт Франка и Герца” рис. 2 позволяет изучать параметры газа, наполняющего трехэлектродную лампу (манометрическая лампа ПМИ-2 с инертным газом при давлении 1 – 3 мм.рт.ст.). Устройство лампы показано на рис. 3. Нить накала 1 одновременно является катодом лампы. Сетка 2 выполнена в виде спирали, навитой вокруг нити накала. Вокруг сетки расположен цилиндрический анод 3. Стеклянный балон лампы 4 установлен на цоколе 5. Контакты катода и сетки выведены на ножки цоколя, анод соединен с колпачком на баллоне лампы.
Рис.3. Рис.4.
Схема включения лампы приведена на рис. 4. Она же воспроизведена на лицевой панели модуля. Регулируемый источник 1 тока накала позволяет установить ток, при котором получается удобная для измерения вольтамперная характеристика лампы. Между катодом и сеткой включен источник 2 ускоряющего напряжения. При снятии характеристик вручную (по точкам) напряжение этого источника регулируется ручкой 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 источника задерживающего напряжения 3. Значение этого напряжения регулируется в пределах от 0
7
до 6 В ручкой со шкалой на панели модуля. Для измерения анодного тока измеряют падение напряжения на резисторе R, 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 Uуск выводится на гнездо панели модуля напрямую.
В модуле размещены две лампы, наполненные различными газами. Для их поочередного исследования аноды и сетки ламп соединены параллельно и подключены к измерительной системе, а нити накала включены последовательно, при этом одна из них закорочена, и соответствующая лампа не работает. Выбор лампы производится тумблером “ Л1/Л2” на передней панели блока. Наполнение указано в разделе “ Состав изделия”. Номер лампы и наполнение указаны также в надписи на цоколе лампы.
Вид на переднюю панель модуля “ Опыт Франка и Герца” приведен на рис. 5. Исследуемые лампы видны в окне 8. Стрелочный измерительный прибор (поз. 3) измеряет анодный ток IA, прибор шкалы прибора – 100 мкА. Ручка “U зад” ( поз. 4) устанавливает значение задерживающего напряжения в соответствии с надписями на шкале, расположенной вокруг ручки. На гнездо “U уск” ( поз. 13) выведено ускоряющее напряжение. Значения Uзад и Uуск измеряются мультиметром на соответственно обозначенных гнездах относительно общего провода схемы, выведенного на два гнезда “. .” ( поз. 11).
На гнездо “Y” ( поз. 10) выведено напряжение, пропорциональное анодному току IA (коэффициент пропорциональности 0.1 В/мкА, максимальное напряжение 10 В соответствует току 100 мкА).
На гнездо “X” ( поз. 12) выведено напряжение, пропорциональное ускоряющему напряжению Uуск (коэффициент пропорциональности 0.1, максимальному напряжению 10 В соответствует ускоряющее напряжение 100 В).
Контроль тока накал осуществляется изменением напряжения на резисторе Rн= 1.00 Ом между гнездами “I н” и “U уск”. Значение измеренного напряжения в вольтах равно значению тока в амперах.
Тумблер “ ИМП/НЕПР” управляет режимом измерения анодного тока. В положении “ НЕПР” ток накала лампы постоянен, а измерение анодного тока производится непрерывно. Вследствие падения напряжения на нити накала (в нашей установке это 4 - 6 В) для электронов, влетевших из разных точек нити накала (она же – катод), ускоряющие
8
напряжения будут различными, что приведет к “ размазыванию” изучаемой в опыте вольтамперной характеристики – зависимости тока анода от ускоряющего напряжения катод-сетка. Это нежелательное явление устраняется с помощью импульсного режима измерений. В положении “ ИМП” ток накала периодически отключается на короткое время (25 мкс), в течение этого времени производится измерение анодного тока, затем ток накала восстанавливается.
Рис. 5. Панель модуля “ Опыт Франка и Герца”
Тумблер “= / _/\_” управляет режимом измерений. В положении “=” производится снятие характеристики “ по точкам”, при этом зна-
9
чение ускоряющего напряжения устанавливается двумя ручками “U уск” ( поз. 6 – грубая регулировка и поз. 7 – плавная регулировка) и измеряется мультиметром, подключенным к соответствующим гнездам. В положении “_/\_” ускоряющее напряжение измеряется по пилообразному закону. Если при этом с гнезд “ Х” и “Y” подать сигналы на соответствующие входы осциллографа, то на экране получится исследуемая характеристика лампы – 1 В/деление. Если осциллограф не имеет входа “ Х”, представление о виде характеристики даст обычная осциллограмма сигнала “Y”.
Для включения модуля нужно вставить разьем шнура сетевого питания в гнездо на задней стенке модуля, подключить шнур питания к сети 220 В и поднять ручку тумблера “ ВКЛ” ( поз. 15).
Клемма заземления прибора помечена знаком “– ½½”.
Рис. 6. Вольтамперная характеристика
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Подключите прибор к сети. Сигналы “ Х” и “Y” подайте на соответствующие входы осциллографа (коэффициент отклонения 1 В/дел.). Если осциллограф не имеет входа “ Х”, представление о виде характеристики даст осциллограмма сигнала “Y”. Ручку регулировки тока накала поверните против часовой стрелки до упора. Тумблер
10
режима измерений поставьте в положение “_/\_”. Мультиметром контролируйте ток накала.
Включите прибор тумблером “ СЕТЬ”. На экране осциллографа появится горизонтальная линия – вольтамперная характеристика в отсутствие анодного тока. Плавно увеличивая ток накала до 1.0 – 1.3 А, наблюдайте появление свечения нити накала лампы и вместе с этим – появление анодного тока на характеристике. Подбирая ток накала и задерживающее напряжение, получите характеристику типа приведенной на рис. 6. Рекомендуемое значение первого максимума
анодного тока Imax1 составляет 30-50 мкА ( 3-5 В на выходе “Y”), первого минимума – 0-20 мкА. Сравните характеристики, получаемые в
режимах “ НЕПР” и “ ИМП”.
Первый (“ Резонансный”) потенциал возбуждения атомов газа, заполняющего лампу, определяется в нашей установке как разность ускоряющих напряжений U1 и U2, соответствующих первому и второму спаду анодного тока (см. рис. 5). Потенциал наиболее быстрого спадания тока определяется по среднему току, значение которого находится посередине между точками максимума и минимума:
I1 = (I max 1 + I min 1 )/ 2; |
I 2 = (I max 2 + I min 2 )/ 2 . |
Грубо значения U1 и U2 можно оценить по шкале осциллографа. |
|
Напряжение 1 В на выходе “ Х” |
соответствует 10 В ускоряющего на- |
пряжения. Для более точных измерений перейдите в режим “=”. Плавно изменяя ускоряющее напряжение ручкой “U уск”, следите за изменениями анодного тока, зарегистрируйте его максимумы и минимумы, установите среднее значение тока и определите соответствующие значения ускоряющего напряжения. Встроенный мультиметр позволяет измерить Uуск с погрешностью 0.1 В.
Значения первых потенциалов ϕ1 возбуждения инертных газов:
Гелий - 21.6 В |
|
|
|
Криптон - 9.9 В |
|
|
|
|||||
Неон - 16.6 В |
|
|
|
Ксенон |
- 8.3 В |
|
|
|
||||
Аргон - 11.5 В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Пример протокола испытаний |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
№ лам- |
Iн, А |
Imax1 |
Imin1 |
I1 |
|
U1 |
Imax2 |
|
Imin2 |
I2 |
U2 |
ϕ1 |
пы |
U3, |
|
|
|||||||||
Наполн. |
B |
мкА |
мкА |
мкА |
|
B |
мкА |
|
мкА |
мкА |
B |
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
№1 He |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№2 Ne |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|