Определение резонансного потенциала методом Франка и Герца.

Цель работы: определение резонансных потенциалов возбуждения инертных газов методом задерживающего поля.

ВВЕДЕНИЕ

При изучении газового разряда было обнаружено, что электроны, ионизирующие газ, должны иметь определённую энергию, чтобы произвести ионизацию. В 1902 г. Ленард впервые поставил опыты по определению ионизационных потенциалов атомов различных элементов. Франк и Герц продолжили исследования, и результаты этих опытов были опубликованы в 1913 г. Опыты Франка и Герца подтвердили существование дискретных энергетических уровней атома, и поэтому они имели фундаментальное значение как опыты, экспериментально подтверждающие созданную Нильсом Бором теорию строения атома.

Согласно теории Бора атом может существовать только в определённых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определённое значение энергии. Поэтому атом может поглотить лишь порции энергии, равные разности энергий двух стационарных состояний. В частности атому нельзя передать энергию меньше той, которая необходима для перевода его из нормального стационарного состояния в первое возбуждённое.

Наиболее удобным методом, позволяющим сообщить атому регулируемое количество энергии, является метод бомбардировки атомов электронами, ускоряемыми в электрическом поле. Если энергия электрона меньше критической, которая необходима для перевода атома в первое возбуждённое состояние, то столкновение между электроном и атомом будет упругим, т. е. электрон не передаст атому своей энергии, а лишь изменит направление своей скорости.

Если же энергия электрона больше этой критической энергии, то столкновение между электроном и атомом может быть неупругим, т. е. электрон при соударении с атомом передаст атому как раз ту энергию, которая необходима для перевода атома в возбуждённое состояния. Остаток энергии электрон унесёт с собой.

В опытах Франка и Герца было установлено, что существуют вполне определённые значения энергии, при которых столкновение электрона с атомом происходит неупруго (при меньших энергиях – упруго). Разность потенциалов U, сообщающая электрону энергию, равную энергии возбуждения атома, обычно называют критическим потенциалом атома. Численно он равен энергии возбуждения атома, выраженной в электронвольтах. Если имеет место переход из основного состояния на первый возбуждённый уровень, то критический потенциал называется первым или резонансным потенциалом атома.

Атом не находится долго в возбуждённом состоянии и самопроизвольно возвращается в основное состояние. При этом переходе атом отдаёт ранее полученную энергию в виде энергии светового кванта - , где - постоянная Планка, - заряд электрона.

В этой работе для определения резонансного потенциала используется метод задерживающего поля. Суть метода состоит в том, что электроны, испускаемые катодом лампы при неупругом соударении с атомами теряют часть своей энергии, приобретённой в ускоряющем поле. Потерявшие энергию электроны не могут преодолеть задерживающее поле, и это приводит к уменьшению анодного тока, получаемого при снятии вольтамперной характеристики трёхэлектродной газонаполненной лампы (рис. 1). В опытах Франка и Герца лампа заполнялась парами ртути под небольшим давлением. В лампе имеются три электрода: К – катод, С – сетка и А – анод.

Рис. 1. Трехэлектродная лампа.

На сетку лампы относительно катода подаётся ускоряющий потенциал U_y. На анод подаётся небольшой отрицательный относительно сетки потенциал U₃ и создаётся слабое задерживающее поле. Вольтамперная характеристика, т.е. зависимость анодного тока I_a от ускоряющего потенциала сетки U_y имела вид, представленный на рис. 2. Сила тока в начале монотонно возрастает, достигая максимума при U₁, после чего с дальнейшим увеличением U_y резко падает, достигая минимума и снова начинает расти. Максимумы тока повторяются при U₂, U₃ и т. д.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика.

Такой ход кривой объясняется тем, что при столкновении электронов с атомами ртути последние могут поглощать лишь дискретные порции энергии: , либо , где , , - энергии стационарных состояний; - заряд электрона.

Электроны, эмитируемые катодом К, разгоняются ускоряющим напряжением U_y и, если их энергии достаточны для преодоления задерживающего поля U₃, попадают на анод А и создают ток I_a. Чем больше скорость, с которой электроны достигают сетки С (чем больше U_y), тем больше будет доля электронов, достигающих анод (больше I_a). При некотором определённом значении ускоряющего потенциала U_y= U₁, когда электрон имеет энергию в промежутке катод-сетка , соударения их с атомами ртути становятся неупругими. При этом электроны передают атомам энергию и не могут уже преодолеть задерживающий потенциал U₃. Анодный ток падает. При дальнейшем увеличении ускоряющего потенциала, когда остаточная энергия электронов, испытывающих неупругий удар, станет достаточной для преодоления тормозящего поля, анодный ток I_a начнёт снова возрастать. При ускоряющем потенциале U₂, электрон на пути катод – анод может дважды претерпеть неупругое соударение с атомами ртути, теряя при этом энергию , вследствие чего сила тока снова начнёт уменьшаться. Разность значений ускоряющих потенциалов, соответствующих двум последовательным максимумам, равна резонансному потенциалу атома.

Измеряя энергии, передаваемые электроном атому при столкновении, можно сделать заключение о разности энергий соответствующих состояний атома.

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 9 10 111213 14 Следующая ⇒