ВИЗНАЧЕННЯ ПОТЕНЦІАЛІВ ЗБУДЖЕННЯ ТА ІОНІЗАЦІЇ АТОМІВ МЕТОДОМ ФРАНКА І ГЕРЦА
6.1 Мета роботи
Дослідне підтвердження дискретності рівнів енергії атомів, визначення їх потенціалів збудження та іонізації.
6.2 Вказівки з організації самостійної роботи студентів
Для підготовки до виконання лабораторної роботи слід ознайомитись з моделлю атома Бора [2, с. 337-338; 3, с. 47-49] Основні положення теорії Бора викладені у двох постулатах. 1. З нескінченної кількості будь-яких електронних орбіт, можливих з точки зору класичної механіки, спостерігаються насправді тільки деякі стаціонарні орбіти, які відповідають умовам квантування: величина моменту імпульсу електрона на стаціонарній орбіті є кратною числу :
,
де п – ціле п=1,2,3,4…. 2. Випромінювання або поглинання кванта світла спостерігається при переході електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу. Величина світлового кванта дорівнює різниці енергії тих стаціонарних станів, між якими відбувається квантовий перехід електрона: . (6.1) Якщо атом перебуває в основному стані, коли п=1, то, незважаючи на те, що електрон рухається з прискоренням, він не випромінює і не поглинає електромагнітні хвилі. Атом можна збудити, тобто перевести з основного стану ( ) у стан з більшою енергією ( ), який називається збудженим. Енергія, необхідна для переведення атома в даний збуджений стан, називається енергією збудження , і визначається різницею енергій двох рівнів: основного і збудженого, тобто . Мінімальна енергія збудження атома відповідає енергетичному проміжку між основним станом ( ) і найближчим до нього ( ) збудженим станом: . Оскільки енергія збуджених станів атома детермінована, то і частоти випромінювання або поглинання чітко визначені, а їх можливий набір створює лінійчастий спектр, характерний для кожного атома: ; ; …; . Якщо атому передати енергію достатню, щоб перевести електрон на енергетичний рівень з , – енергію іонізації , то відстань електрона від ядра атома теж нескінченно збільшиться. Атом, від якого відірвано один або більше електронів, стає позитивним іоном, відповідно одноразово, або багаторазово іонізованим. Досліди Франка і Герца були яскравим експериментальним підтвердженням постулатів Бора. Якщо атоми будь-якої речовини, що перебуває у газоподібному стані з одноатомними молекулами, опромінювати потоком електронів, між ними відбувається взаємодія. Вона може носити характер пружного або непружного ударів. Дж. Франк і Г. Герц довели, що коли енергія електронів менша за деяку критичну, то співудари між електронами і атомами відбуваються пружно. При такому співударі значення швидкості електрона практично не змінюється, може змінитися лише її напрям. Тобто атом при цьому зіткненні енергії не одержує, а електрон продовжує рухаєтися з початковою кінетичною енергією. При непружних співударах внаслідок того, що маса електрона значно менша за масу атома, він передає атому майже всю енергію. Атом переходить у збуджений енергетичний стан, а електрон різко зменшує швидкість до нуля. Виявилось, що непружні зіткнення електронів з атомами відбуваються при чітко визначеному ряді значень кінетичної енергії електронів: ; ; …. Розподіл швидкостей електронів після співударів з атомами досліджували за допомогою методу затримуючого потенціалу. Найпростішу принципову схему для досліду Франка і Герца зображено на рис. 6.1. Балон лампи В наповнений газом (наприклад, парами ртуті чи інертного газу) при низькому тиску ( мм. рт.ст.). Гарячий катод (К) випромінює електрони. Рисунок 6.1 – Приниципова схема досліду Франка і Герца
Між катодом (К) і анодом (А) прикладено прискорюючу різницю потенціалів U, яку можна змінювати за допомогою потенціометра R, що ділить напругу. Змінюючи і вимірюючи величину прискорювальної напруги UКС, можна вимірювати і контролювати кінетичну енергію електронів
.
Енергію електронів у цьому випадку зручно вимірювати в електрон-вольтах (еВ). Енергію в Дж електрони отримують, якщо пройдуть різницю потенціалів в 1 В. Найменша різниця потенціалів, яку мають пройти електрони в прискорючому електричному полі, щоб їхня енергія була достатня для збудження (іонізації) атомів, називається потенціалом збудження (іонізації ). Наприклад, перший потенціал збудження визначається формулою: . Між сіткою і анодом було створене слабке електричне поле ( ), таке, що гальмувало рух електронів до анода. Досліджувалась залежність сили струму IА в анодному колі від напруги UКС між катодом і сіткою. При збільшенні напруги UКС кінетична енергія електронів зростає. Пружний характер співударів електронів і атомів газу не призводить до зміни енергії електронів, і вони досягають сітки з енергією . Після проходження сітки електрони потрапляють у простір між сіткою і анодом, де гальмуюча дія поля дуже слабка і швидкість руху електронів майже не зміниться. Тобто при пружному характері зіткнення з атомами газу у електронів вистачає енергії, щоб подолати відстань «сітка-анод» та досягти аноду. При підвищенні напруги зросте швидкість електронів і, відповідно, збільшиться анодний струм (рис. 6.2, ділянка Оа).
А. Визначення потенціалу збудження. Зростання сили струму на графіку вольт-амперної характеристики лампи спостерігатиметься, доки різниця потенціалів між катодом і сіткою не досягне визначеної критичної величини 4,9 В і тоді анодний струм різко зменшиться (ділянка кривої ab). (Для прикладу розглядається випадок, коли лампа наповнена парами ртуті).
Рисунок 6.2 – Вольт-амперна характеристика лампи в досліді Франка і Герца (гальмівне поле слабке)
Це означає, що при потенціалі 4,9В зіткнення електронів з атомами ртуті стають непружними і при співударі електрони, віддаючи атомам ртуті всю свою енергію, не можуть подолати гальмуюче поле між сіткою і анодом, потрапляють на сітку, тобто не вносять вкладу у величину анодного струму. При енергії електронів 9,8 еВ і 14,7 еВ електрони зазнають непружні співудари двічі або тричі, що дає другий і третій максимуми. Такий хід кривої пояснюється тим, що внаслідок дискретності енергетичних рівнів атоми можуть сприймати енергію тільки порціями: або та інші,
де – енергія 1-го, 2-го, 3-го і т.д. стаціонарних станів. Збуджені атоми газу через час порядку переходять у нормальний стан, а надлишок енергії випускають у вигляді резонансного випромінювання певної довжини хвилі, яку можна знайти за умови:
(6.2)
де – стала Планка, – швидкість світла, – заряд електрона,
Б. Визначення потенціалу іонізації. У проміжку «сітка-анод» можна встановити велику напругу гальмівного поля для електронів і потік електронів до аноду зникне – вони відводитимуться сіткою. Якщо при цьому збільшувати потенціал сітки , прискорені електрони зможуть отримати таку кінетичну енергію, якої буде достатньо для іонізації атомів у лампі, зіткнення з якими траплятимуться поблизу сітки. Загальмовані і відірвані електрони потраплять на сітку, а позитивні іони будуть притягнуті до аноду, потенціал якого буде найбільш низьким. Виникне сполох анодного струму, обумовленний лише іонною складовою (рис. 6.3). Його напрямок буде протилежний відносно електронної складової. Напруга , що відповідає сполоху, дорівнює потенціалу іонізації атомів газу.
Рисунок 6.3 – Вольт-амперна характеристика лампи в досліді Франка і Герца (гальмівне поле значне)
6.3 Опис лабораторної установки
Схема установки для дослідження особливостей будови атомів наведена на рис. 6.4.
Рисунок 6.4 – Схема лабораторної установки
Атоми досліджуваного газу знаходяться у скляній колбі лампи, що має три електроди: катод К, сітку С, анод А. Розжарений окремим електричним струмом катод К є джерелом електронів, що прискорюються в електричнму полі між катодом і сіткою ( ) та гальмуються у полі між сіткою та анодом ( ). Енергія електронів залежить від напруги, що подається між сіткою С і катодом К. Величина напруги змінюється потенціометром RP1 і вимірюється вольтметром PV1. Потенціометром RP2 і вольтметром PV2 змінюється і вимірюється величина напруги , що створює затримуюче поле між сіткою С і анодом А. Електрони, що пройшли крізь газ, або іони, створені внаслідок взаємодії електронів з атомами, створюють струм у колі анода А, який вимірюється цифровим мікроамперметром PA. Від джерела струму нагрівається нитка розжарення катоду і подається напруга на електроди. Джерело вмикається тумблером.
6.4 Порядок виконання роботи і методичні вказівки з її виконання
6.4.1 Визначення потенціалу збудження атомів 1. Підключіть цифровий амперметр PA до клем макета. Увімкніть макет і амперметр. 2. Потенціометром RP2 установіть гальмуючий потенціал на вольтметрі PV2. 3. Потенціометром RP1 змінюйте, а вольтметром PV1 вимірюйте напругу, що прискорює електрони. Для кожного значення напруги за допомогою PA виміряйте силу струму в колі анода (колектора). Результати вимірювань занесіть до табл. 6.1.
Таблиця 6.1 – Результати вимірювань для знаходження потенціалу
4. Побудуйте графік залежності сили струму I від енергії електронів і зробіть висновок про характер взаємодії електронів з атомами. Визначте енергію і потенціал збудження атомів. 5. За допомогою (6.2) обчисліть частоту і довжину хвилі випромінювання збуджених атомів. За цими даними визначте склад досліджуваного газу.
6.4.2 Визначення потенціалу іонізації атома 1. Потенціометром RP2 установіть затримуючий потенціал . 2. Змінюючи прискорюючу напругу і вимірюючи силу струму, з’ясуйте залежність іонної складової струму від енергії електронів. Результати вимірювань занесіть до табл. 6.2. Побудуйте графік від .
Таблиця 6.2 – Результати вимірювань для знаходження потенціалу іонізації
3. Визначте потенціал іонізації й енергію, при якій з’являються іони. Те значення прискорюючої напруги, при якому сила струму різко збільшується, визначає потенціал іонізації атома .
6.5 Зміст звіту
Результати вимірювань подайте у вигляді графіків і обчислених значень потенціалів збудження, іонізації, частоти резонансного випромінювання.
6.6 Контрольні запитання і завдання
1. Сформулюйте постулати Бора. 2. Накресліть схему енергетичних рівнів атома. 3. Що таке енергія збудження, іонізації? Покажіть їх на схемі енергетичних рівнів. 4. В чому полягає суть досліду Франка-Герца? 5. Чому не рекомендується визначати резонансний потенціал за положенням першого максимуму на вольт-амперній характеристиці? 6. Чому мінімальне значення анодного струму не дорівнює нулю? 7. Як залежить форма вольт-амперної характеристики від тиску газу в балоні лампи? 8. Що таке резонансне випромінювання? 9. Яка роль сітки в балоні лампи з досліду Франка-Герца? 10. Як з’являється іонна складова струму? 11. Як пояснюється світіння газу в електричному розряді? 12. При якому прискорюючому потенціалі спостерігатиметься різке падіння анодного струму в досліді Франка і Герца, якщо балон заповнити атомарним воднем? ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|