Описания лабораторных работ
ФИЗИКА
РАЗДЕЛ «КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»
Москва 2009 г.
Лабораторная работа №1 опыты франка и герца
Цель работы: изучение процесса возбуждения атомов инертного газа электронами, измерение первого потенциала возбуждения.
Содержание работы
Опыты Д. Франка и Г. Герца, ставившие целью измерение потенциалов ионизации атомов, принесли экспериментальное подтверждение постулатов Бора.
В этих опытах через исследуемый газ пропускались ускоренные электрическим полем электроны. При столкновении с атомами газа последние могли переходить в новые возбужденные состояния с определенным значением энергии, большим энергии основного состояния. При этом если энергетические уровни атома дискретны, то кинетическая энергия электронов должна быть не меньше некоторой минимальной величины, способной возбудить атом газа.
Схема опыта изображена на рис.1
Рис.1
Между катодом и сеткой лампы создано постоянное электрическое поле. Электроны, испускаемые разогретым катодом, ускоряются в электрическом поле и направляются к сетке, сталкиваясь с атомами разреженного одноатомного газа, заполняющего лампу. Франк и Герц в своих опытах в качестве исследуемого газа использовали пары ртути.
Если энергия электрона, налетающего на атом, недостаточно велика, чтобы ионизовать его, то возможны только упругие столкновения, при которых электрон практически не теряет энергии. При увеличении разности потенциалов между катодом и сеткой энергия электрона увеличивается и становится достаточной для возбуждения атомов. При неупругих столкновениях кинетическая энергия налетающего электрона передается атомному электрону, переводя его на более высокий энергетический уровень.
После прохождения электронов через сетку их энергия уменьшается, они должны преодолеть потенциальный барьер порядка 0.5 В, чтобы попасть на собирающий электрод - анод. Ток анода пропорционален числу падающих на него за секунду электронов и измеряется миллиамперметром.
С увеличением потенциала сетки ток в лампе сначала растет по закону трех вторых подобно аналогичной ситуации в вакуумном диоде (рис.2)
Рис.2
Однако насыщения не происходит, так как энергия электрона становится достаточной для неупругих столкновений, после которых часть электронов почти полностью теряет свою энергию и не может преодолеть задерживающего потенциального барьера между сеткой и катодом. Как следствие этого процесса – уменьшение тока на вольтамперной характеристике (рис.3)
Рис.3
При последующем увеличении потенциала сетки электроны, испытавшие неупругие столкновения, могут вновь набрать энергию и преодолеть потенциальный барьер, давая вклад в новый рост тока на вольтамперной характеристике. Необходимо учесть, что вклад в преодоление задерживающего поля вносит только продольная составляющая скорости электрона, а не полная скорость, которая меняется при упругих столкновениях. Это приводит к сглаживанию зависимости I(V) и некоторому сдвигу максимумов на кривой в сторону меньших энергий.
Таким образом, на кривой зависимости тока анода от напряжения сетка-катод имеется ряд максимумов и минимумов, отстоящих друг от друга на расстояния V, равные энергии первого возбужденного состояния. Для атома ртути V = 4.9 В.
Потенциал V называется критическим потенциалом атома ртути или первым потенциалом возбуждения. Если ускоряющее напряжение в лампе достигает первого потенциала возбуждения, пары ртути начинают светиться - атом возвращается в свое основное состояние, излучая энергию. Это можно наблюдать на опыте, заменив стеклянную колбу кварцевой, прозрачной для ультрафиолетовых лучей.
На длине волны 253.7 нм можно вычислить первый потенциал возбуждения ртути, используя соотношение (1):
(1)
Получаем V = 4.887 В, что подтверждает результат опыта Франка и Герца.
Отметим, что несколько причин приводят к тому, что провалы на ВАХ не являются идеальными (совпадающими с теоретической кривой):
1. Разброс электронов по энергии из-за пространственного заряда в прикатодной области, высокой температуры термоэмиссионного катода и, в случае катода прямого накала, падения потенциала на нем;
2. Зависимость сечения возбуждения от энергии электрона. При энергиях электрона близких к энергии возбуждения атома существует высокая вероятность временного захвата электрона атомом с образованием отрицательного иона. После этого будет происходить автоотрыв, и атом возвращается в основное состояние
3. Вклад в преодоление задерживающего поля вносит только продольная составляющая скорости электронов, а не полная скорость, которая меняется при упругих столкновениях;
4. Наличие контактной разности потенциалов между катодом и анодом и катодом и сеткой. Контактная разность возникает из-за того, что работа выхода электрона из катода меньше чем работа выхода из анода.
5. Пространственный потенциал создаваемый самими электронами. Его влияние будет максимальным в области наибольшей плотности электронов – вблизи катода и будет проявляться в первую очередь на первом максимуме.