14_Опыт Франка-Герца

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет» Институт электроэнергетики и информатики

Кафедра общей физики

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы № 14

по дисциплине «Физика»

для студентов всех форм обучения направления подготовки 051000.62 Профессиональное обучение

(по отраслям)

Екатеринбург

РГППУ

2013

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы № 14 по дисциплине «Физика». Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. университет», 2013. 16 с.

Составитель: к.ф.-м.н., доцент О.В. Аношина

Одобрены на заседании кафедры общей физики ЭлИн. Протокол № 1 от 10.09.2013 г.

Заведующий кафедрой ОФ

канд.физ.-мат. наук, доцент

С.В. Анахов

Рекомендованы к печати научно-методической комиссией института электроэнергетики и информатики РГППУ. Протокол №1 от 14.10. 2013 г.

Председатель

методической комиссии ЭлИн

А.О. Прокубовская

© ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессио- нально-педагогический университет», 2013

© Аношина О.В.

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ

АТОМОВ АРГОНА. ОПЫТ ФРАНКА-ГЕРЦА.»

Цель лабораторной работы:

изучение строения атома и квантовой теории постулатов Бора. Задачи лабораторной работы:

изучение опыта Франка и Герца;

ознакомление с методикой снятия вольт - амперных (ВАХ) характеристик газоразрядных приборов;

экспериментальное определение первого потенциала возбуждения атомов аргона;

расчет длины волны резонансного излучения аргона.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Вначале XX в физике был выполнен ряд исследований, которые легли

воснову квантовой механики и атомной физики. В 1900 г. Макс Планк, рассматривая задачу о равновесном излучении черного тела, ввел (чуждую классической физике) гипотезу о том, что излучение и поглощение света веществом происходит не непрерывно, а отдельными порциями, или «квантами». Развивая идеи Планка, в 1905 г. Альберт Эйнштейн предположил, что дискретность присуща не только взаимодействию излучения с веществом, но и излучению вообще. Наконец, в 1913 г. Нильс Бор применил принцип дискретности энергии к любым атомным системам. Теория Бора стала важным шагом на пути к пониманию внутриатомных явлений. Однако первоначально она встретила скептическое отношение физического сообщества. Причиной тому была двойственность теории: применяя законы классической механики для описания движения электрона в атоме, она дополняла их противоречащими классической электродинамике принципами. Поэтому теория Бора нуждалась в поддержке новыми экспериментальными результатами. Мощным подтверждением справедливости теории стали данные, полученные в области физики электрон-атомных столкновений в результате серии экспериментов, поведенных в 1912–1914 гг. Джеймсом Франком (1882–1964) и Густавом Герцем (1887–1975). Характерно, что ни при постановке экспериментов, ни при обсуждении данных в оригинальных работах авторов теория Бора даже не упоминалась. Тем не менее, значение экспериментов оказалось столь большим, что вскоре после общественного признания теории Бора (Нобелевская премия по физике, 1922) Нобелевскую премию в 1925 г. получили и авторы опытов – как отмечалось в официальном сообщении Нобелевского комитета, «за прямое экспериментальное подтверждение существования дискретных энергетических уровней в атоме».

Как выяснилось, спектры излучения разреженных газов (т.е. спектры отдельных невзаимодействующих друг с другом атомов) состоят из отдельных

3

спектральных линий, образуя таким образом линейчатый спектр. Теоретически линейчатый спектр излучения объяснил Нильс Бор в 1913 году, сформулировав два постулата развитой им квантовой теории строения атома:

1.Атомы могут длительно пребывать только в определенных стационарных состояниях. В этих состояниях электроны в атоме обладают энер-

гиями, образующими дискретный ряд значений Е1, Е2,... Еn.

Состояния характеризуются устойчивостью; всякое изменение энергии в результате поглощения или испускания электромагнитного излучения или в результате соударения атомов может происходить только при полном переходе (скачком) из одного из этих состояний в другое. Согласно принципу минимума потенциальной энергии, электроны стремятся занять состояние с

минимальной потенциальной энергией, которое называется основным (Е1). Состояния электрона в атоме, а также и состояние самого атома, с Еn, где n˃1, называют возбужденными.

2.При переходе из одного стационарного состояния с энергией Ei в другое с энергией Ек атомы поглощают или испускают излучение в виде кванта энергии ∆Е, частота υ которого определяется из соотношения, известного как правило частот Бора :

(1)

где h - постоянная Планка.

Строгая теория атомов основывается на решении уравнения Шрединге-

ра.

Подтверждением существования дискретных уровней энергии изолированных атомов, постулированных теорией Бора, и явились опыты ФранкаГерца. В этих опытах изучалось прохождение через газы пучка электронов, ускоренных в электрическом иоле. Первые опыты были проведены с прохождением электронов через пары ртути. Схема опыта изображена на рис. 1:

Рис. 1. Схема установки, используемой в опыте Франка и Герца

В опыте исследовалась зависимость силы тока I от ускоряющего потенциала U между катодом К и сеткой С1 в стеклянном сосуде, в котором нахо-

4

дились пары ртути при давлении около 0,1 мм.рт.ст. Между сеткой С2 и анодом А приложен небольшой замедляющий потенциал UАС2 не более 0,5 В. Электроны, испускаемые нагретым катодом, ускоряются в области I до энергии eUКС1, где е - заряд электрона, попадают в область II между сетками, где испытывают соударения с атомами паров ртути.

Соударения электронов с атомами могут быть двух типов. Первый тип - упругие соударения, при которых кинетическая энергия системы (в данном случае электрон и атом) сохраняется (рис. 2). Упругие соударения не могут воспрепятствовать электронам попадать на анод. При увеличении разности потенциалов U между катодом К и сеткой С1 ускоряющее электрическое поле вызывает возрастание анодного тока, и упругие столкновения не могут нарушить этой закономерности. Второй тип - неупругие соударения, при которых электроны теряют свою кинетическую энергию и переводят атом ртути в возбужденное состояние (рис. 3). Если электроны при неупругом столкновении с атомами ртути потеряют свою энергию настолько, что не смогут преодолеть слабого задерживающего поля между сеткой С2 и анодом А, то анодный ток может упасть практически до нуля. Таким образом, неупругие столкновения являются причиной снижения анодного тока при снятии ВАХ.

Рис. 2. Схема упругих соударений	Рис. 3. Схема неупругих соударений
электронов с атомами	электронов с атомами

Согласно первого постулата Бора, атом ртути может принять от электрона не любую порцию энергии, а лишь такую, которой будет достаточно для перехода атома в одно из возбужденных энергетических состояний. Так как ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее от основного по шкале энергий на 4,86 эВ (1эВ ~ 1,6-10-19 Дж), то электроны, ускоряемые полем, будут испытывать только упругие столкновения с атомами до тех пор, пока не приобретут энергии eU = 4,86 эВ. С момента достижения энергии электрона данного значения может произойти неупругое соударение электрона с атомом ртути, в результате которого электрон полностью отдаст свою энергию атому, который перейдет из нормального энергетического состояния в возбужденное. Электрон, потерявший свою энергию, очевидно, не сможет преодолеть задерживающего поля и не попадет на анод.

5

Таким образом, при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,86 В сила анодного тока, регистрируемая миллиамперметром, возрастает монотонно. При разности потенциалов равной 4,86 В должно происходить резкое падение тока (рис. 4). Такие спады возникнут и при значениях U, кратных 4,86 В (9,8 В, 14,7 В, ...), что указывает на то, что, при значениях энергии, кратных 4,86 эВ, электроны могут несколько раз испытывать неупругие соударения, отдавая каждый раз по 4,86 эВ атому. Следовательно, опыт Франка - Герца показал, что 4,86 эВ - наименьшая возможная порция энер-

гии (наименьший квант энергии), которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика, полученная в опытах Франка и Герца (ВАХ между катодом К и сеткой С1 в стеклянном сосуде,

в котором находились пары ртути)

Рис.5. Схема энергетических уровней атома ртути

6

Вопытах Франка и Герца получило экспериментальное подтверждение

иправило частот Бора. Ртутные пары, находящиеся в трубке, оказались ис-

o		o	= 10-10
точниками ультрафиолетового свечения с длиной волны 2537 A	(1	A

м). Излучение ртутных паров обусловлено тем, что валентные электроны атома ртути (один или два), возбужденные электронным ударом, переходят с нормального энергетического уровня на возбужденные уровни (рис. 5). Атом ртути находится на возбужденном энергетическом уровне непродолжительное время, порядка 10-8 с, после чего возвращается на нормальный энергетический уровень. Согласно постулату Бора, в момент перехода атома в нор-

мальное состояние излучается квант энергии в виде фотона с					энергией
. По известной величине ∆Е = 4,86 эВ = 4,86е Дж, где е = 1,6∙10-19 Кл,
можно вычислить длину волны испускаемого света:
				o	(2)
				A

Этот результат полностью согласуется с экспериментом, в котором пары ртути излучали главным образом именно эту длину волны.

Таким образом, главным результатом опытов Франка и Герца стало до-

казательство существования стационарных уровней атомов, соответствующих дискретным значениям энергии. Однако в опытах были обнаруже-

на еще одна важная особенность явлений, происходящих в микромире, на которую в модели атома, предложенной Бором, не было обращено внимание. Речь идет о вероятностном характере закономерностей в микромире. Оказывается, что если электроны перед столкновением и будут обладать кинетической энергией большей, чем Е1 то это не означает, что все они будут испытывать при этом неупругие столкновения с возбуждением атомов ртути. Число столкновений электронов, вызвавших возбуждение атома, к общему числу столкновений электронов, обладающих данной энергией, называется вероятностью возбуждения. Вероятность возбуждения (функция возбуждения) зависит от энергии (скорости) ударяющихся электронов. Эта функция довольно сложна и имеет разный вид для атомов разных элементов, а также для возбуждения различных энергетических состояний одного и того же атома. Обычно теоретическое определение функции возбуждения затруднено и ее находят экспериментальным путем. На ВАХ это явление проявляет себя в том, что существует область падения анодного тока от Umax до Umin, а само снижение тока происходит не до нуля, а до некоторого минимального значения.

Следует иметь в виду, что положение первого максимума ВАХ может отличаться от первого потенциала возбуждения из-за влияния контактной разности потенциалов между катодом и сеткой. Кроме того, форма провалов на ВАХ зависит от температуры катода, от его геометрии (отличие от идеальной плоской или цилиндрической формы), от напряжения U3 и от давления в сосуде. Последнее выбирается таким, чтобы вероятность многократных столкновений была мала. Разумеется, что кроме энергии, соответствующей первому критическому потенциалу, методом электронных соударений можно оценить и более высокие энергии возбуждения атома. На установках, анало-

7

гичной описанной выше, можно производить измерения первых и более высоких потенциалов возбуждения для различных атомов, а также измерять ионизационные потенциалы. Ионизационным потенциалом называется энергия ионизации (энергия, необходимая для отрыва электрона от атома), деленная на заряд электрона.

Измерение ионизационных потенциалов наиболее удобно проводить, измеряя ток положительных ионов, возникающих в результате ионизации атомов электронным ударом. Для проведения таких измерений нужно увеличить разность потенциалов между сеткой и анодом, создав в этом зазоре достаточно большое поле, задерживающее для электронов и ускоряющее для положительных ионов. При такой постановке опыта амперметр зарегистрирует появление анодного тока только при значениях UKA превышающих ионизационный потенциал.

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Лабораторная установка (рис. 6) представляет собой заключенные в металлический корпус источники питания для многоэлектродной вакуумной лампы (рис. 7), установленной за съемной панелью правой боковой стороны установки. На лицевую панель установки (рис. 8) вынесены необходимые переключатели, ручки регулировок напряжений и измерительные приборы - амперметр и вольтметр с тремя разными шкалами.

К приборам и принадлежностям относятся компьютер, необходимое программное обеспечение, соединительный кабель и встроенные в лабораторную установку датчики тока и напряжения.

Рис. 6. Лабораторная установка

8

В предлагаемом для проведения опыте в вакуумной лампе находится разреженный аргон. На рис. 8 показаны выведенные на лицевую панель переключатель датчика напряжений, ручки регулировок напряжений UKCI (Сетка 1), UAС2 (Сетка 2) и UKA (АНОД), переключатель режимов накала катода, а также переключатель выбора коэффициента усиления тока коллектора. Диапазоны допустимых значений сеточных напряжений указаны на лицевой панели прибора. На правой боковой поверхности корпуса имеется таблица с рекомендованными для дан-

ной установки параметрами.

Рис. 7. Многоэлектродная вакуумная лампа

Рис. 8. Лицевая панель лабораторной установки

Указания по технике безопасности

1.Перед выполнением работы получите инструктаж у лаборанта.

2.Соблюдайте общие правила техники безопасности работы в лаборатории "Оптика и атомная физика".

3.Осторожно обращайтесь со стеклянной лампой.

4.Установка включается в сеть только лаборантом или преподава-

телем.

5.При неисправности установки ее следует немедленно выключить

исообщить об этом лаборанту или преподавателю. Строго запрещается производить исправления неполадок установки самостоятельно.

6.Обязательно выполнение общих правил по технике безопасности при работе в лаборатории.

9

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

3.1Порядок выполнения работы с использованием компьютера

1.Подключите с помощью кабеля измерительный канал лабораторной установки к USB - входу компьютера.

2.Включите установку и дайте прогреться вакуумной лампе течение 5 минут, установив напряжение питания нити накала, рекомендованное в таблице на правой боковой поверхности корпуса.

3.Включите компьютер и запустите программу «Практикум по физике». На панели устройств выберете соответствующий сценарий проведения экс-

перимента кнопкой (либо Alt+C) - опыт Франка-Герца. На экране появится соответствующее окно для вольтамперной характеристики.

4.Установите величины сеточных напряжений и множителя тока в соответствии с рекомендациями таблицы. Для установления рекомендуемого напряжения UКС1 на сетке 1 переключатель режимов накала катода должен быть в режиме «Сетка1», для установления рекомендуемого напряжения UКС2 на сетке 2 переключатель режимов накала катода должен быть в режиме «Сетка2».

5.Запустите измерения, выбрав на панели инструментов зеленую кнопку

«Запустить измерения»	.
6.Переведите переключатель режимов накала		катода в положение
«Анод». Изменяя напряжение UKCI (ОТ 0 ДО 90 В) вращая ручку регулировки
«Анод», постройте вольтамперную характеристику		(рис. 9). Повышение

напряжения следует немедленно прекратить, если значение тока резко возросло и вышло за рамки экрана.

Рис. 9. Примерный вид ВАХ, полученной в ходе эксперимента.

10