УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Без разрешения преподавателя установку в сеть включать запрещается.

Перед началом работы с установкой необходимо убедиться, что установка заземлена.

Через каждые 45 минут работы необходимо делать 15 минутный перерыв в работе установки.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Убедиться, что установка заземлена. Включить установку (Сеть).

2. С помощью рукоятки 4 повернуть барабан 5 к началу шкалы (указатель установить на деление барабана 7000).

3. Медленно вращая рукояткой 4 барабанв направлении, при котором показания его шкалы убывают и, одновременно наблюдая глазом через объектив 6, определить по шкале барабана деления соответствующие длинам волн линий спектра. Наблюдаемыми линиями спектра будут: ярко-красная Н_a, сине-голубая Н_b, синяя Н_g, слабо-голубая Н_d. В промежутке между линиями Н_a и Н_b имеется ряд слабых красно-желтых и темно-зеленых молекулярных полос: их во внимание не принимать. (Четвертая линия Н_d в нашей установке не видна).

4. Определить длины волн всех наблюдаемых спектральных линий l_a, l_b, l_g …. Опыт повторить не менее пяти раз, найти средние значения измеренных величин l_a, l_b, l_g ….

5. Для каждого среднего значения l_a, l_b, l_g … вычислить по формуле (12) значения постоянной Ридберга (здесь m принимает соответственно значения 3, 4, 5, …, а n = 2). Найти среднее арифметическое значение постоянной Ридберга, её размерность.

6. Используя формулу (5) вычислить первый Боровский радиус орбиты r электрона.

7. Начертить таблицу и внести в нее результаты измерений и вычислений. Оценить погрешность полученных величин.

8. После окончания измерений выключателем Сеть установку необходимо выключить.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО ФОРМА

Основу содержания отчета составляют данные по измерениям и их элементарным преобразованиям, которые сводятся в таблицу. Форма отчета представлена в приложении 1 (см стр. 30).

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. Почему в непрерывно излучающем атоме электрон, согласно классической электродинамике, должен упасть на ядро? Как обходит эту трудность теория Бора?

2. Сформулируйте постулаты Бора. Как с их помощью объяснить линейчатый спектр атома водорода?

3. Объясните смысл отрицательного значения потенциальной и полной энергии электрона (формула 9).

4. Выведите выражение для частоты вращения электрона по круговой орбите.

ЛИТЕРАТУРА

[1, глава 38, § 36.1 – 36.4; 2, глава 2, § 9; 3, глава 26, § 202 – 204].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ ГАЗА

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ: изучение процесса возбуждения атомов газа электронами и его закономерностей, измерение потенциала возбуждения инертного газа в опыте Франка и Герца.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Планетарная модель атома Резерфорда, получившая окончательное завершение к началу 20 века, основывается на представлениях об атоме как о планетарной динамической системе. Полагая, что электроны обращаются около ядра по окружностям (как это допускалось и для планет), можно определить, что устойчивость атома достигается равенством сил, действующих внутри него

, (1)

где m – масса, v – скорость, e – заряд электрона, r – радиус его орбиты, Z – количество электронов в атоме.

Однако эта модель атома оказалась в противоречии с законами классической электродинамики. Согласно этим законам, всякий движущийся заряд должен излучать электромагнитные волны. При равномерном движении заряда по окружности частота излучаемых электромагнитных волн равна частоте вращения. Электроны атома, вращающегося вокруг ядра, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, теряя при этом свою энергию. Вследствие потери энергии электроны должны приближаться к ядру и упасть на ядро, а частоты вращения их по орбите и излучения должны непрерывно изменяться. Спектр излучения такого атома должен быть сплошным. В действительности же излучение атомов имеет линейчатый спектр, а сам атом является устойчивой системой.

Выход из этого затруднительного положения был предложен Н. Бором, который ввел квантовые идеи в ядерную модель атома и разработал теорию последнего, полностью подтвержденную экспериментально.

Согласно теории Бора (сформулированной в виде постулатов), атом может длительно находиться только в определенных стационарных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенное значение энергии: Е₁, Е₂, Е₃, …(постулат стационарных состояний), изменяющееся только при переходе электрона в атоме с орбиты на орбиту. Когда электрон находится на одной из возможных орбит, энергия атома остается постоянной.

Поэтому атом может поглощать и излучать лишь определенные порции энергии hν = |Е₂–Е₁| (правило частот) равные разности энергий двух стационарных состояний (уровней энергии). В частности, атому нельзя передать энергию меньше или больше той, которая необходима для перевода его из стационарного состояния в возбужденное.

Наиболее удобным методом, позволяющим сообщить атомам регулируемое количество энергии, является метод бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле.

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Схема установки опыта Франка и Герца приведена на рисунке 1.

В баллоне Б, заполненном разреженным газом, имеется катод К, сетка С и анод А. Между катодом и сеткой приложена разность потенциалов U_К-С, ускоряющая электроны вылетающие из катода (энергия этих электронов равна еU₁, где е – заряд электрона). При малых значениях ускоряющей разности потенциалов U_К-С будут наблюдаться неупругие столкновения электронов с атомами, и ни какой передачи энергии между электронами и атомами происходить не будет.

Рисунок 1 – Схема установки

Между сеткой и анодом приложена разность потенциалов U_С-А которая в дальнейшем поддерживается неизменной. При этом положительный потенциал подается на сетку, а отрицательный на анод (поэтому это напряжение фактически является запирающим). Значение U_С-А выбирают таким, чтобы электроны, попавшие в эту область пространства, почти полностью потеряли свою энергию и, вследствие неупругих столкновений, не попадали на анод. В опыте измеряют зависимость анодного тока I_А от приложенного напряжения между катодом и сеткой и (U_к_-А) с помощью микроамперметра – mА (вольтамперную характеристику).

Рисунок 2 – Зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения

При наличии разреженного газа электроны сталкиваются с атомами газа. Пока энергия электронов мала, столкновения их с атомами носят упругий характер, и они не теряют энергию. При увеличении энергии электронов столкновения становятся неупругими. Электроны при этом с большой вероятностью теряют энергию и не доходят до анода. Анодный ток I_А резко уменьшается. При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения U_К-С электроны снова набирают энергию, и анодный ток снова увеличивается. Зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения между катодом и сеткой U_К-С- имеет вид (рис 2).

Рисунок 3 – Установка для проведения опыта Франка и Герца. Б – баллон лампы; БУИ – блок управления и индикации

⇐ Предыдущая 1 2 34