2. Определение потенциалов ионизации атома

Неупругие столкновения электронов с атомами могут привести к ионизации атома, т.е. К расщеплению его на положительный ион и электрон. Потенциал U, при котором энергия электронов станови­тся достаточной для ионизации атома, называется первым потенциа­лом ионизации. В общем случае так называют энергию освобождения первого электрона из нейтрального атома, если она выражена в эВ. Энергия, необходимая для удаления второго электрона, называется вторым потенциалом ионизации и т.д.

Процесс ионизации атомов может быть исследован с помощью схе­мы, приведенной на рис.8. Необходимо лишь понизить давление па­ров ртути, чтобы избежать потерь энергии на одно- и многократные возбуждения атомов. Кроме того, тормозящее поле U_з следует под­держивать все время несколько большим, чем ускоряющее U . Тог­да до анода не дойдет ни один электрон; его смогут достигнуть только положительные ионы. Если, как и ранее, измерять зависи­мость величины тока I от ускоряющего напряжения U, то внача­ле ток практически отсутствует. Возникновение его при 10.4 В оз­начает, что вблизи сетки С начался процесс ударной ионизации атомов ртути. Следовательно, по величине ускоряющего потенциала U, при котором наблюдается рост тока, можно определить пер­вый потенциал ионизации атома.

Для наблюдения более высоких степеней ионизации атома Франк и Герц изменили описанную методику путем добавления еще одной сетки С₁ (рис. 8). Эта сетка располагалась вблизи катода К на расстоянии, малом по сравнению со средней длиной свободного про­бега электрона. В этом случае электроны ускорялись на пути КС₁, затем попадали в свободное от поля пространство R между сетка­ми С₁ и С₂, и там испытывали столкновения с атомами. Если такие столкновения сопровождались ионизацией, то в дополнение к пер­вичным электронам в пространстве R возникали положительные ионы и отщепленные от атомов электроны. Все элект роны вылавлива­лись сеткой С₂, а ионы диффундировали сквозь отверстия сетки и переносились полем U_з; к аноду А.

Измерялась, как и ранее, зависимость величины тока от ускоряющего напряжения. Общий вид такой зависимости показан на рис. 9.

Отчетливо видно, что рост тока с напряжением носит ступенчатый характер, первая из наблюдаемых ступенек связана, очевидно, с по­явлением однозарядных ионов. Минимальная энергия е ускоренных электронов соответствует первому потенциалу ионизации атома. Если энергия электронов превышает еU, то образующийся в результате ионизации свободный электрон обладает кинетической энергией, рав­ной e(U-U₁) . Можно полагать, что при условии U-U₁=U₁ та­кой электрон будет в состоянии ионизировать атом. Тогда мы вправе ожидать при U= 2U₁ увеличения ионного тока, т.е. начала второй ступеньки на кривой рис. 9. Однако, как выяснилось, веро­ятность ионизации атома электронным ударом растет вместе с энер­гией электронов. Так, например, вероятность ионизации атома рту­ти при U = 60 В почти в 10 раз больше, чем при U = 10.5 В. Поэ­тому начало второй ступеньки на кривой рис. 9 при U=U₀ обусло­влено не повторной ионизацией атома, а образованием двухзарядных ионов. По тем же соображениям начало третьей ступеньки следует связать с появлением трехзарядных ионов и т.д. Следовательно, при достаточно большом ускоряющем напряжении в пространстве меж­ду сетками должны одновременно присутствовать ионы с различными зарядами. Этот вывод нашел подтверждение в масспектроскопических исследованиях.

Т аким образом, описанный опыт доказывает, что для появления ионов заданного заряда необходимо, чтобы энергия электронов превышала некоторое значение - потенциал ионизации.

В предлагаемой работе необходимо определить потенциал возбу­ждения и первые три потенциала ионизации атома ксенона. С этой целью используются две измерительные установки, собранные по схе­ме рис. 6 и рис. 8. Величина анодного тока измеряется микроампер­метром M-9I, ускоряющее напряжение регулируется потенциометром и измеряется катодным вольтметром ВКЗ-7. На основании измерений строят графики I(U), из которых находят искомые потенциалы.