Отчёт_6.3

Федеральное агентство связи

СибГУТИ

Кафедра физики

Лабораторная работа № 6.3

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ИОНИЗАЦИИ АРГОНА»

Выполнил: студент гр. ИС-74*

Некто Н.Н.

Преподаватель:

Лубский В. В.

Выполнение: _______________ ________________

дата подпись

Защита: _______________ ________________

оценка дата подпись

Новосибирск 2018 г.

1) Цель работы

Определить потенциал ионизации аргона.

2) Краткая теория

Согласно современным теоретическим представлениям атомные системы могут находиться только в некоторых определенных состояниях, называемых стационарными. Каждому стационарному состоянию соответствует свое фиксированное значение энергии. Спектр допустимых значений энергий атомов является дискретным. Состояние с наименьшим допустимым значением энергии атома называется основным состоянием.

Часто при взаимодействиях атома с внешними системами изменяется состояние только валентного (внешнего) электрона. Поэтому в данной работе мы будем считать, что энергия атома эквивалентна энергии валентного электрона, а состояние атома и состояние валентного электрона будем считать синонимами. Значения энергии разрешенного состояния называют энергетическими уровнями.

На энергетических диаграммах энергетические уровни обозначают черточками. Если атом находится в основном состоянии, то все энергетические уровни, расположенные ниже энергетического уровня валентного электрона, заняты электронами, а все вышележащие уровни – свободны.

В случае внешних воздействий атом, т.е., как правило, один из его валентных электронов может получить дополнительную энергию ΔW и перейти в какое-либо из разрешенных состояний с большей энергией. Такое состояние атома называется возбужденным. В возбужденном состоянии атом долго находиться не может. Очень быстро он спонтанно (самопроизвольно) возвращается непосредственно в основное состояние или переходит в одно из возбужденных состояний с меньшей энергией, например, с уровня t на уровень m. Переход атомной системы из состояния с большей энергией W_k в состояние с меньшей энергией W_n сопровождается выделением энергии:

ΔW = W_k - W_n (1)

которая излучается в виде кванта электромагнитного излучения hν, так что:

hν = W_k - W_n (2)

Соотношение (2) называется правилом частот.

Энергию возбуждения часто характеризуют потенциалом возбуждения. Под потенциалом возбуждения понимают ту разность потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию, равную энергии возбуждения. Если подведенная извне энергия превысит модуль энергии основного состояния валентного электрона, то валентный электрон, получив эту энергию, выйдет за пределы атома и станет свободным. Такой процесс называется ионизацией атома. В итоге нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион и появляется свободный электрон. Минимальная энергия, при которой возникает ионизация атомов, называется энергией ионизации W_i. Энергия ионизации атомов зависит от структуры атомов и характеризуется потенциалом ионизации. Потенциал ионизации равен той разности потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию, равную энергии ионизации атома.

3) Описание лабораторной установки

Установка состоит из тиратрона (1), гальванометра (3), включенного в анодную цепь тиратрона, источника (5) ускоряющего поля, вольтметра (6), измеряющего ускоряющее напряжение, и источника (8) накала катода (9) тиратрона.

Тиратрон представляет собой стеклянный баллон (1), заполненный аргоном с малым давлением. В баллон помещены три электрода: катод (9) подогревного типа, сетка (7) и анод (2). Под действием напряжения накала нить накала и катод разогреваются. Возникает явление термоэлектронной эмиссии. Вследствие термоэлектронной эмиссии, вокруг разогретого катода образуется электронное облако. К катоду и сетке подведено ускоряющее напряжение. Под действием ускоряющего поля электроны, эмитируемые катодом, ускоряются, проходят сквозь ячейки сетки, далее попадают на анод (2) и регистрируются гальванометром (3) в виде анодного тока.

4) Выполнение

Таблица 1 – I(U).

U, В	2	4	6	8	10	12	14	14,2	14,4	14,6	14,8	15	15,2
I, мкА	0,1	0,2	0,3	0,5	0,6	0,7	0,9	0,9	0,9	1	1	1	1,1

Продолжение таблицы 1

U, В	15,4	15,6	15,8	16	16,2	16,4	16,6	16,8	17	17,2
I, мкА	1,1	1,2	1,4	3	3,9	4,9	6	8	11,2	15,6

Рисунок 2 – график зависимости I(U)

Вывод: во время выполнения лабораторной работы 6.3 был определён потенциал ионизации (U_ион = 15,8 В), а также начерчен график зависимости I(U).

5) Ответы на контрольные вопросы

1) Объясните в общих чертах строение атомов.

I) Строение атома можно описать несколькими тезисами:

a) Сам атом является электронейтральной частицей, состоит из ядра и электронного облака.

b) Ядро атома состоит из нескольких протонов и нейтронов. Они удерживаются в ядре за счет сильного взаимодействия.

c) Вокруг ядра атома, по орбитам вращаются электроны. При химических реакциях меняется лишь строение электронных оболочек между атомами, при этом ядра атомов остаются без изменений.

d) Ядро занимает ничтожную часть объёма атома, при этом в ядре сосредоточена почти вся масса атома.

Например, атом аргона состоит из ядра, состоящего из 18 протонов и 22 нейтронов, вокруг которого по 3-м орбитам движутся 18 электронов.

Рисунок 3 – схематическое строение атома аргона.

2) Какие состояния называются стационарными?

II) Стационарное состояние – состояние атома, при котором количество внутренней энергии не изменяется с течением времени. Каждый атом имеет определённый набор энергий, характеризующих его состояние.

Первое стационарное состояние атома является наиболее устойчивым и его ещё называют основным стационарным состоянием. В этом состоянии у атома наименьшее допустимое значение энергии.

Стационарные состояния можно описать волновой функцией:

где должна удовлетворять стационарному уравнению Шрёдингера:

при этом не зависит от времени.

3) Что называют возбуждением атомов и ионизацией атомов?

III) Возбуждённое состояние атома – состояние, в котором атом находится довольно короткий срок времени, и после атом либо возвращается в стационарное состояние, либо переходит в одно из возбуждённых состояний с меньшей энергией.

Ионизация атома – процесс, при котором валентный электрон проходит разность потенциалов, которая превышает модуль энергии валентного электрона. Получив эту энергию, электрон становится свободным. В итоге, нейтральный атом превращается в положительно заряженный электрон, а также появляется свободный электрон. Минимальная энергия, при которой возникает ионизация атомов, называется энергией ионизации Wi. Энергия ионизации атомов зависит от структуры атомов и характеризуется потенциалом ионизации.

4) Что называют потенциалом ионизации атомов?

IV) Потенциал ионизации атомов – минимальная разность потенциалов U, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома.

5) Поясните схему и принцип действия лабораторной установки.

V) Установка состоит из тиратрона, гальванометра, включенного в анодную цепь тиратрона, источника ускоряющего поля, вольтметра, измеряющего ускоряющее напряжение, и источника накала катода тиратрона.

Тиратрон представляет собой стеклянный баллон, заполненный аргоном с малым давлением. В баллон помещены три электрода: катод подогревного типа, сетка и анод. Под действием напряжения накала нить накала и катод разогреваются. Возникает явление термоэлектронной эмиссии. Вследствие термоэлектронной эмиссии, вокруг разогретого катода образуется электронное облако. К катоду и сетке подведено ускоряющее напряжение. Под действием ускоряющего поля электроны, эмитируемые катодом, ускоряются, проходят сквозь ячейки сетки, далее попадают на анод и регистрируются гальванометром в виде анодного тока.

6) Почему крутизна вольтамперной характеристики резко увеличивается, когда ускоряющее напряжение превышает потенциал ионизации атомов?

VI) Катод, сетка и анод расположены в тиратроне таким образом, что практически все электроны, в том числе испытавшие упругие и неупругие столкновения с атомами аргона, попадают на сетку. На анод летит совсем немного электронов, вследствие чего ток в анодной цепи очень мал.

Такая ситуация будет сохраняться до тех пор, пока ускоряющее напряжение меньше потенциала ионизации атома аргона. Но как только превысит потенциал ионизации, в пространстве между катодом и сеткой появятся положительные ионы, которые частично скомпенсируют объёмный отрицательный заряд электронного облака. Вследствие этого электронный ток на сетку резко возрастет, увеличится также и доля тока, поступающего на анод.

7) На участке b – c, рис.3.3, когда ускоряющее напряжение достаточно велико,

в тиратроне возникает ясно видимое свечение. Объясните его происхождение.

VII) Газовый разряд возникает при некоторой разности потенциалов, приложенной между электродами ионного прибора. Положительные ионы, образовавшиеся при ионизации, направляясь к катоду, частично нейтрализуют электронный пространственный заряд в лампе, имеющий наибольшую плотность около катода. Поэтому анодный ток прибора при одном и том же анодном напряжении U_a, ограничиваемый ранее тормозящим полем электронного пространственного заряда, возрастает. Электроны, образовавшиеся в результате ионизации, двигаясь к аноду, участвуют в переносе конвекционного тока и при достаточной скорости сами вызывают возбуждение и ионизацию других атомов газа. Все пространство между электронами, за исключением прикатодной области, после возникновения разряда заполнено электронно-ионной газоразрядной плазмой. В плазме наряду с процессами возбуждения и ионизации одновременно происходят и обратные процессы − переход возбуждённых атомов в нормальное состояние и рекомбинация электронов и ионов (в основном на стенках прибора) с образованием нейтральных атомов. Так как при рекомбинации и переходах электронов на нормальные энергетические уровни выделяется энергия в виде квантов света определенной частоты, при этом наблюдается свечение газа.

6) Решение задач

3.2) Электрон, ускоренный электрическим полем, приобрел скорость, при которой его масса стала равной удвоенной массе покоя. Чему равна разность потенциалов, пройденная электроном?

Дано: Решение:

m1 = 2me me = 9,1 * 10-31 кг = -1,6 * 10-19 Кл
U ― ?

Ответ: U = 511167 В.