Описание установки (компьютерной модели)

При запуске компьютерной программы (двойной щелчок левой кнопкой мыши (ЛКМ) по соответствующей иконке) вы попадаете в окно выбора темы работы, показанное на рис. 4.

После однократного щелчка ЛКМ по названию темы “Опыт Франка и Герца” Вы входите в окно выбора опытов, предлагаемых к выполнению в данной работе – см ниже рис. 5.

Рис. 4

Рис. 5

Если теперь щелкнуть ЛКМ по надписи “Опыт 1”, то можно войти в окно выполнения опыта Франка и Герца (рис. 6).

Рис. 6

Окно “Опыт 1” можно центрировать (поднять-опустить, сдвинуть влево-вправо) с помощью вертикального (вверх-вниз) и горизонтального (влево-вправо) движков-слайдеров, которые можно перемещать при нажатой ЛКМ.

Вокне “Опыт 1” показана используемая в опыте лампа с электродами (катодом (1), сеткой (2) и анодом (3)). Лампа может быть заполнена газом атомов какого-либо вещества (из тех, что указаны в табл. 1). Ток через лампу измеряется микроамперметром. С помощью реостата (4) Вы можете изменять ускоряющее напряжение (клавишами← и → или, передвигая мышкой при нажатой ЛКМ движок реостата). При этом справа в окне появляется график ВАХ лампы, показанный на рис. 7. График в любой момент времени может быть “очищен” нажатием ЛКМ кнопки “Очистка” в левом нижнем углу этого окна.

Чтобы установить лампу с другими атомами (сменить газ в лампе), нужно ввести с клавиатуры компьютера в окно “Ваш ответ” какое-либо числовое значение (по Вашей оценке правильное) и затем последовательно нажать кнопки “Ok” и “Старт”.

Нажатие ЛКМ на надписи “Опыт 2” переводит Вас в окно следующего опыта (рис. 8 А и Б), где Вы можете наблюдать, при каких значениях энергии электрона происходит ионизация атомов газа^*).

Для начала эксперимента в опыте 2 нужно нажать ЛКМ кнопку “Старт”. При этом переключатель в цепи ускоряющего напряжения замыкается, и теперь потенциал анода можно изменять с помощью реостата. При этом в правой части окна растёт энергия возбуждения, и возникают разрешённые уровни энергии атомных состояний (рис. 8 Б).

Рис. 8

Для перехода к другому газу нужно ввести в окно “Ваш ответ” числовое значение энергии ионизации и нажать “Ok”, а затем ввести символ элемента, которому соответствует данная энергия ионизации. После нажатия “Ok”, а затем снова “Старт” - и можно работать с другим газом.

Нажатие ЛКМ на надписи “Опыт 3” переводит Вас в окно следующего опыта (рис. 9), где Вы можете наблюдать энергетический спектр излучения возбуждённых атомов (справа в тёмном окне и волновой спектр излучения в окне снизу (увеличенный фрагмент внизу рис. 9))^*.

Рис. 9

Порядок выполнения измерений

Внимание! Каждый участник работы должен проходить указанную ниже последовательность заданий индивидуально. Для этого необходимо выполнить повторный вход в программу после завершения работы предыдущим участником

Задание 1. ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА (ОПЫТ 1)

1. познакомьтесь с имитационной моделью и порядком работы с ней. Запустите программу atomic_a и откройте рабочее окно установки с ОПЫТом 1 последовательно активируя окна (рис. 1 - 3).

2. Прочтите текст в окне ОПЫТа 1 и нажмите кнопку “Старт”. При этом переключатель в цепи ускоряющего напряжения замкнётся – установка готова к работе.

3. Плавно меняйте с помощью реостата (перемещая при нажатой ЛКМ движок справа налево) ускоряющее напряжение (регистрируется вольтметром), контролируя при этом ток через лампу с помощью амперметра. Шаг изменения напряжения должен быть около 0.5 В(не обязательно точно 0.5В) и напряжение устанавливаться так, чтобы были зафиксированы все минимумы и максимумы на ВАХ лампы. Заносите в табл. 2 значения напряжения и тока.

4. По полученным данным ответьте на вопрос “как различаются энергии электронов, соответствующие последовательным минимумам тока?” и введите соответствующее число в окно “Ваш ответ”. Нажмите кнопку “Ok” и сопоставьте ваши данные с правильным ответом.

5. Нажмите кнопку “Старт” и повторите опыт ещё для трёх газов, выполняя режим измерений, описанный в пп. 3-4. Получаемые данные заносите в таблицы 3 - 5, аналогичные по форме табл. 2.

Вольтамперная характеристика лампы 1 (2, 3, 4)

Таблица 2 (3, 4, 5)

U, В	0	0.5	...	11.6
I, А	0

Задание 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ АТОМА (ОПЫТ 2)

1. Откройте рабочее окно установки с ОПЫТом 2 (рис. 3, 5).

2. Нажмите кнопку “Старт”. При этом переключатель в цепи ускоряющего напряжения замыкается.

3. Плавно меняйте с помощью реостата (перемещая при нажатой ЛКМ движок снизу вверх) ускоряющее напряжение (индицируется вольтметром), контролируя при этом возбуждаемые уровни энергии атома. После достижения максимального ускоряющего напряжения ответьте на вопрос. Чему равна энергия ионизации атомов данного вещества? Введите численное значение энергии ионизации в окно ответов и проверьте ответ нажатием кнопки “Ok”. Занесите в табл. 6 значение энергии ионизации атомов.

4. Введите в окно ответов атомный символ элемента, атомы которого находятся, по вашему мнению, в лампе и также нажмите “Ok” для проверки результата. Занесите в табл. 6 символы соответствующего элемента.

5. Повторите опыты с другими элементами, представляющими газ в лампе ещё трижды (всего четыре раза), занося соответствующие значения и символы в столбцы табл. 6.

Газ в трубке и его энергия ионизации

Таблица 6

Энергия ионизации, эВ
Символ элемента

Задание 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЗБУЖДЕННЫХ АТОМОВ (ОПЫТ 3)

1. Откройте рабочее окно установки с ОПЫТом 3 (рис. 3, 7).

2. Плавно меняйте с помощью реостата (перемещая при нажатой ЛКМ движок снизу вверх) ускоряющее напряжение (индицируется вольтметром), контролируя при этом возбуждаемые уровни энергии атома. Заносите значения энергии появляющихся в окне уровней в табл. 7 для последующего расчета энергии перехода. Отметьте в таблице энергетическое состояние с выделенным мигающимпереходом (номер уровня).

Энергии уровней атомов (атомы элемента ……)

Таблицы 7,8,9,10

Номер уровня	1 (основное состояние)	2	…	10
Энергия возбуждения, эВ	0.0

Будьте внимательны. При достижении максимального уровня и появлении мигающего перехода отображаемые в окне значения энергии исчезают!

После достижения максимального ускоряющего напряжения ответьте на вопрос: кванты какой энергии излучаются при данном (мигающем) переходе? Чтобы ответить на этот вопрос вычтите из энергии уровня с которого происходит переход E_n+1 энергию уровня на который этот переход выполняетсяE_n, т. е.E== E_n+1–E_n.Введите численное значениеEв окно ответов и проверьте ответ нажатием кнопки “Ok”. Занесите в табл. 8 значение энергии выделенного перехода и соответствующую ему длину волны излучения, вычисляемую по формуле: = hc/E.

5. Повторите опыты ещё трижды (всего четыре раза), занося соответствующие значения (для четырёх разных элементов – атомов газа в трубке) в столбцы табл. 8.

Спектр излучения атомов

Таблица 8

E = En+1 – En, эВ	Элемент 1	Элемент 2	Элемент 3	Элемент 4
, нм