Экспериментальная часть

Принципиальная схема установки, используемой для выполнения опыта Франка и Герца, приведена на рис. 1.

Рис.1 Схема установки опыта Франка и Герца

Трехэлектродная лампа заполнена газом газом (на имеющихся установках - гелием или неоном) при давлении в несколько миллиметров ртутного столба. Нить катода разогревается током I_н, величина которого определяется напряжением U_н. Напряжение U_уск, которое ускоряет электроны при их движении от катода к сетке лампы , изменяется потенциометром и измеряется вольтметром. К аноду прикладывается небольшое, относительно сетки задерживающее напряжение U_зад, вследствие чего создается слабое электрическое поле, тормозящее движение электронов. Напряжение U_зад изменяется потенциометром , а его величина контролируется вольтметром. Для измерения анодного тока I_а в цепь включен микроамперметр. На основе измеренных I_а и U_уск строится вольт-амперная характеристика, представляющая собой зависимость анодного тока I_а от ускоряющего напряжения U_уск. В опытах, которые были выполнены Франком и Герцем, для заполнения трехэлектродной лампы использовались пары ртути, и вольт-амперная характеристика имела вид, показанный на рис.2.

Электроны, испускаемые раскаленной нитью катода вследствие термоэлектронной эмиссии, разгоняются ускоряющим напряжением и, если их энергии достаточны для преодоления задерживающего электрического поля между сеткой и анодом, попадают на анод. По мере возрастания напряжения U_уск все большее количество электронов, испытывающих лишь упругие столкновения с атомами, попадают на анод, и ток I_а увеличивается. При напряжении U_уск = столкновения электронов с атомами становятся неупругими, поскольку их энергии достаточно для перехода атома в первое возбужденное состояние. Потеряв энергию, электроны уже не могут преодолеть задерживающее электрическое поле между сеткой и анодом, и величина анодного тока уменьшается.

При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения остаточная энергия электронов, испытавших неупругие столкновения с атомами, становится достаточной для преодоления тормозящего поля, и величина анодного тока снова начинает возрастать. Если энергия электронов после первого неупругого соударения и последующего ускорения снова окажется равной еU₁, то они смогут испытать еще одно неупругое столкновение с атомами, и на вольт-амперной характеристике появляется второе уменьшение анодного тока. Таким образом, при значениях ускоряющего напряжения на вольт-амперной характеристике будут наблюдаться n максимумов, расположенных друг от друга на расстоянии, равном первому потенциалу возбуждения атома.

Рис.2. Вольтамперная характеристика опыта Франка и Герца

При проведении опыта Франка и Герца ряд факторов приводит к уменьшению глубины минимумов и резкости максимумов на кривой зависимости анодного тока от напряжения. Одна из них связана с тем, что из-за теплового разброса скоростей электронов, эмитируемых катодом, их энергия после прохождения разности потенциалов U_уск оказывается различной. Другая причина состоит в том, что для преодоления задерживающего поля между сеткой и анодом имеет значение только составляющая скорости электрона, направленная вдоль поля. Эта составляющая может меняться при упругих столкновениях, поскольку в них сохраняется лишь полная скорость электрона. Кроме того, не все обладающие необходимой энергией электроны, возбуждают атомы при столкновениях. На вид вольтамперной характеристики оказывает также влияние наличие объемных зарядов, возможное загрязнение лампы парами других элементов с иными потенциалами возбуждения. Вследствие контактной разности потенциалов между катодом и сеткой кривая зависимости тока от напряжения может смещаться вправо и влево.