4.6. Отчет о работе

Отчет о работе, предъявляемый при защите работы, должен содержать следующее.

1. Описание установки и используемых методов обработки экспериментальных данных.

2. Экспериментальные данные.

3. Результаты обработки экспериментальных данных в виде таблиц и графиков (см. п. 4.5).

4. Оценку погрешности эксперимента и полученных результатов.

5. Выводы по проведенной экспериментальной работе (насколько хорошо/плохо согласуются полученные результаты с известными данными и почему).

4.7. Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия аппарата Милликена.

2. Перечислите силы, действующие на заряженную каплю в аппарате Милликена.

3. Укажите, в чем отличие метода 1 от метода 2 (п. 4.3) определения заряда капли.

4. Объясните, почему на графике, изображенном на рис. 4.3, экспериментальные точки группируются в виде отдельных «слоев».

5. Расскажите, где встречается в природе и используется в технике заряженный аэрозоль и как он приобретает заряд в природных условиях.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ОПЫТ ГЕРЦА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ АТОМОВ ГЕЛИЯ И НЕОНА

5.1. Цель работы

Целью данной работы является экспериментальное определение критических потенциалов атомов гелия и неона, путем повторения эксперимента Герца [10 – 12].

5.2. Теоретические основы

Внутренняя энергия атома не может иметь произвольные значения, а лишь только квантованные (дискретные). Этот факт иллюстрирует схема, представленная ниже.

E_∞…………………..Энергия ионизированного атома.

……………………………………………….

E₂………………..Энергия второго возбужденного состояния.

E₁………………..Энергия первого возбужденного состояния.

E₀………………..Энергия основного состояния.

В рамках лабораторной работы мы хотим определить энергию (Е₁- Е₀) , которой достаточно атому, чтобы перейти в первое возбужденное состояние, бомбардируя атомы газа электронами регулируемой энергии. Это является основой данного эксперимента, который был впервые проведен Франком и Герцем в 1914 году [10] и является экспериментальным подтверждением того, что внутренняя энергия атома квантуется. Энергии возбужденных состояний для гелия и неона приведены в таб. 5.1, 5.2, схема энергетических уровней гелия – рис. 5.1.

Таблица 5.1

Энергия возбужденных состояний атома гелия (до энергии ионизации)

0 eV основное состояние

19.80 eV 1-ое возбужденное состояние

20.61 eV

20.96 eV

21.21 eV

22.71 eV

22.91 eV

23.00 eV

23.08 eV

24.58 eV энергия ионизации

Таблица 5.2

Энергия возбужденных состояний атома неона (до энергии ионизации)

0 eV основное состояние

16.57 eV 1-ое возбужденное состояние

16.62 eV

16.66 eV

16.79 eV

18.38 – 18.97 eV несколько уровней в этом диапазоне

19.66 – 19.78 несколько уровней в этом диапазоне

20.3 eV

20.57 – 20.66 eV несколько уровней в этом диапазоне

21.56 eV энергия ионизации

Рис. 5.1. Схема энергетических уровней атома гелия

Лабораторная установка позволяет создавать пучок электронов с кинетической энергией, варьируемой от V_min = 0 до V_max = 60 эВ, который пропускается через газообразный гелий. Минимальная энергия, необходимая для возбуждения атома гелия в его основном состоянии 19,80 эВ, см. таб. 5.1 и рис. 5.1. Это энергия необходима для перехода атома на его первый возбужденный уровень.

Главным элементом лабораторной установки является трубка для определения критических потенциалов возбуждения атомов газов, рис. 5.2.

Трубка состоит из диодной электронной пушки и прозрачной колбы. Электроны посредством термоэлектронной эмиссии испускаются нагретой вольфрамовой нитью, расположенной в катоде электронной пушки. Внутренняя поверхность стеклянной колбы покрыта прозрачным проводящим слоем, соединенным с анодом пушки. По нити проходит достаточно большой ток (около 1 - 1,5 ампера), в результате она нагревается до высокой температуры и начинает эмитировать электроны. Данное явление носит название термоэмиссия. Электроны вылетают из нити и ускоряются, так как на аноде поддерживают потенциал больший по отношению к катоду, и проходят в сферическую колбу, заполненную гелием или неоном при низком давлении. В колбе расположено кольцо коллектора, к которому приложена малая положительная разность потенциалов по отношению к аноду. Если у электронов достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть это кольцо коллектора, они пролетают колбу насквозь, оседают на ее стенке и стекают на анод. Если энергии не достаточно, то электроны притягиваются и оседают на кольце. Если же электроны, влетая в колбу, сталкиваются там с атомами газа то, если столкновения упругие, электроны не теряют кинетическую энергию, и они также проходят кольцо насквозь, оседая на стенках колбы, и тем самым увеличивая анодный ток.

При увеличении ускоряющей разности потенциалов, электронный поток увеличивает свою кинетическую энергию, и, как только кинетической энергии становится достаточно, чтобы возбудить атом, могут возникнуть неупругие столкновения, в результате которых энергия электронов передается атомам, а электроны замедляют свое движение, притягиваются к кольцу коллектора и оседают на нем. В результате анодный ток уменьшается.

Параметры трубкидля определения критических потенциалов

Анодный потенциал (V_A): 0 - 50 V (60 V max).

Анодный ток (I_A): 10 mA max.

Потенциал коллектора (V_C): 1.5 V, батарейка типа AA .

Ток коллектора (I_C): 0 - 200 pA.

Рис. 5.2. Трубка для определения критических потенциалов возбуждения атомов газов

В эксперименте наблюдается следующая картина. Если постепенно увеличивать ускоряющую разность потенциалов V_A, то будет фиксироваться рост как анодного тока, так и тока коллектора I_С. Однако это будет происходить лишь до тех пор, пока для гелия не выполнится условие, что кинетическая энергия электронов K =V_p^I = 19.8 B. Тогда электроны смогут возбудить атомы гелия, то есть передать им свою энергию, в результате чего мы будем наблюдать уменьшение анодного тока и соответственное увеличение тока коллектора. Далее, когда мы продолжим увеличивать ускоряющее напряжение, электроны после первого неупругого столкновения успеют набрать необходимую энергию, чтобы преодолеть замедляющую разность потенциалов, в результате анодный ток вновь возрастет. Это будет происходить до тех пор, пока не будет достигнут следующий уровень возбуждения K=V_p^II = 20.61 B, когда на графике тока коллектора будет наблюдаться новый пик, рис. 5.3-5.5.

Кинетическая энергия ускоренных электронов определяется по формуле:

K = e (V_A + V₀) эВ, где V_A является потенциалом анода относительно катода (в диапазоне 0 - 60 вольт), а сдвиг потенциала V₀ определяется дополнительным разгоном электронов в поле коллектора, контактной разностью потенциалов между катодом и анодом и особенностями эмиссии электронной диодной пушки с полым катодом. В нашем эксперименте сдвиги потенциала для гелия и неона равны 5.44 В и 7.17 В соответственно.

Рис. 5.3. Зависимость тока коллектора от энергии электронов

Рис. 5.4. Зависимость тока коллектора от потенциала анода для гелия и неона, наблюдаемая в эксперименте (общий вид)

Рис. 5.5. Зависимость тока коллектора от потенциала анода для гелия и неона, наблюдаемая в эксперименте (вид в области первой группы пиков)