«Определение резонансного потенциала атомов гелия и ртути».

Краткая теория.

Затруднения, возникшие при объяснении теории строения атома по Резерфорду и наличие линейчатых спектров испускания атомов, были преодолены благодаря теории, предложенной Н. Бором (см. теорию л.р. №26).

Согласно законам классической физики и теории Резерфорда атом должен быть неустойчив и в течении времени своего существования должен быть излучать непрерывный спектр. Оба эти вывода резко противоречат экспериментальным данным.

Используя идеи квантовой гипотезы М. Планка, Н. Бор объяснил наличие линейных спектров атомов, выдвинув предположение о том, что лучеиспускание атомной системы (по Резерфорду) происходит иначе, чем принято в классической физике. Пользуясь этими представлениями, невозможно определить частоту излучения атомов. Для преодоления этих трудностей Бор выдвинул свою теорию в виде двух постулатов (см. работу №26).

Согласно постулатам Бора атом может поглощать или испускать энергию порциями, значение которых равно разности энергий атома в двух стационарных состояниях.

Энергию, необходимую для возбуждения, атом может получить различными способами, например, поглощая энергию электромагнитного излучения или сталкиваясь с другими более быстрыми микрочастицами.

Наиболее удобным методом, позволяющим атому сообщить определенное количество энергии, является метод бомбардировки атомов быстрыми электронами.

Быстрые электроны могут быть получены, практически, с любой энергией, если их ускорять в электрическом поле.

Кинетическую энергию таких электронов легко определить по разности потенциалов ускоряющего электрического поля:

Исследование энергетических состояний, в которых атом может существовать как устойчивая система, были проведены Ленардом (1903 г.) и Франком и Герцем (1913 г.), еще раньше, чем Н. Бор выдвинул свою гипотезу.

Полученные Франком и Герцем опытные данные хорошо согласуются с теорией Бора и экспериментально подтверждают существование у атомов определенных стационарных энергетических состояний.

В опытах Франка и Герца атомы и молекулы довольно разреженного газа, заключенного в сосуд, обстреливались электронами, которые сообщали атомам (или молекулам) определенную энергию. Так как масса электрона много меньше массы атома, то при упругом соударении быстрого электрона с атомом энергия электрона практически не меняется, а изменяется только его направление движения.

Кинетическая энергия движущегося атома при таком упругом соударении также почти не меняется, т.е. его внутренняя энергия остается постоянной.

При достижении электроном определенного критического значения скорости (и соответственно энергии) его соударение с атомом происходит неупруго. При неупругом ударе электрон передает всю свою энергию атому, который возбуждается, т.е. переходит в стационарное состояние с большим значением энергии.

Таким образом, при столкновении с электронами атом либо почти не поглощает энергии при упругом ударе, либо поглощает ее в количествах, точно равных разности двух его стационарных состояний.

Опытами Франка и Герца было установлено, что существуют вполне определенные значения энергии электрона, при которых удар с атомом происходит неупруго, а ниже которых соударения носят упругий характер.

Этим эксперименты подтвердили постулаты Бора о дискретности энергетических стационарных состояний атома.

Определим понятие критического и резонансного потенциалов. Находясь в электрическом поле с разностью потенциалов на электродах, электрон приобретает энергию равную, которая определяет его кинетическую энергию; т.е., гдезаряд электрона,его скорость,масса.

При критическом значении разности потенциалов энергия электрона становится достаточной для возбуждения атома, при этом происходит неупругий удар.

Атом, имея энергию стационарного состояния до возбуждения после неупругого удара с электроном переходит в стационарное состояние с энергией, т.е..

Если при таком процессе происходит переход атома из невозбужденного состояния в ближайшее возбужденное состояние, то соответствующий этому переходу критический потенциал называется первым или резонансным потенциалом атома. Следующий переход в возбужденное стационарное состояние с большим значением энергии характеризуется вторым критическим потенциалом и т. д…

От потенциалов возбуждения надо отличать потенциал ионизации, при котором из атома удаляется электрон, а сам атом становится положительно заряженным ионом.

При возвращении атома из возбужденного состояния с энергией в состояние с энергиейразность этих энергией реализуется в виде кванта энергии, т. е. в виде электромагнитного излучения, энергия которого.

В данной работе производится возбуждение атомов гелия или ртути электронами и определяются их резонансные потенциалы по методу Франка и Герца.

Методика эксперимента.

Для определения резонансного потенциала атомов используется метод исследования остаточной энергии электронов после их столкновения с атомами.

Остаточная энергия электронов измеряется методом задерживающего поля. Принципиальная схема метода представлена на рис. 1.

Z- трехэлектродная лампа, заполненная парами исследуемого вещества при небольшом давлении (порядка нескольких мм. ртутного столба).

батарея накала нити, амперметр в цепи накала нити;вольтметр, измеряющий напряжение между электродомК и сеткой С.

Под действием этого напряжения электрон приобретает необходимую энергию (в ускоряющем поле).

вольтметр, измеряющий разность потенциалов задерживающего поля между сеткой С и электродом Р.

Обычно невелико (около 0,5-1,5 В) и служит для защитыР от медленных электронов.

микроамперметр, служащий для измерения силы тока в цепи.

Электроны, испускаемые раскаленной нитью катода, разгоняются полем с потенциалом , и если их энергия достаточна для преодоления задерживающего поля, попадают на электродР. По мере возрастания потенциала электроны, испытывая пока лишь упругие столкновения с атомами, попадают все в большем количестве на электродР и ток возрастает.

При определенном значении ускоряющей разности потенциалов столкновения с атомами становятся неупругими. В этом случае электрон, пролетев ускоряющее поле и подойдя к сетке, имеет значениеи может испытать неупругое столкновение с атомами.

Потеряв всю свою энергию после неупругого столкновения, электрон уже не сможет преодолеть задерживающее поле и попасть в сетку. При этом ток в цепи «сетка – электрод Р » – резко упадет. На вольтамперной характеристике зависимости силы тока в лампе от ускоряющего поля при напряжении , при неизменном задерживающем поле , образуется резкий спад кривойрис. 2

Разность потенциалов ускоряющего поля U=U₁ при которой наступает первое неупругое столкновение электрона с атомом и будет первым резонансным потенциалом атома.

Если продолжать увеличивать напряжение ускоряющего поля U, то энергия, необходимая для возбуждения атома, может быть приобретена электроном уже на некотором расстоянии от сетки. В этой точке поля произойдет неупругий удар и электрон потеряет свою скорость. Но так как на электрон продолжает действовать ускоряющее поле, то он дойдет до сетки с некоторым запасом энергии. Когда эта энергия станет достаточной для преодоления тормозящего поля, электрон снова достигает электрода Р, и так в лампе опять станет возрастать.

При напряжении ускоряющего поля U₂=2U₁ первое неупругое столкновение электрона с атомом может произойти на полпути между нитью и сеткой лампы (на этом расстоянии электрон приобретет энергию eU₁, на оставшемся до сетки отрезке пути электрон сможет вновь приобрести eU₁ и у самой сетки может испытывать второе неупругое столкновение).

Это снова приведет к полной потере энергии электроном, и он не сможет преодолеть тормозное поле и попасть на электрод. Ток в лампе вторично упадет (рис. 2.)

При дальнейшем увеличении ускоряющего поля (свыше U₂) ток в лампе снова начнет расти.

Таким образом, при значениях ускоряющего поля U_n=nU₁, кратком значению первого критического потенциала, на кривой вольтамперной характеристики лампы будут наблюдаться резкие минимумы тока

э

Разность значений ускоряющих напряжений, соответствующих двум последовательным минимумам на кривой , равна резонансному потенциалу атома (рис. 3).

В данной работе необходимо измерить силу тока в лампе, как функцию ускоряющего напряжения (при неизменном значении задерживающего потенциала).

Порядок выполнения работы.

1. Определить резонансного потенциала атома.

В опыте используется трехэлектродная лампа прямого накала, заполненная гелием под давлением около 1-2 мм. ртутного столба. Для определения резонансного потенциала необходимо:

1. Включить цепь накала и установить ток накала согласно значением указанным в таблице для этой работы при .

2. Включить цепь тормозящего поля и установить с помощью потенциометра тормозящее напряжение .

3. Включить ускоряющее поле сетки, постепенно увеличивая напряжение ускоряющего поля U и снимать показания микроамперметра . Внимательно следить при этом за постоянством тока в цепи накала. Напряжение ускоряющего поля изменять до тех пор, пока будут заметны скачки силы тока.

Аналогичные измерения произвести при другой силе тока в цепи накала. Результаты измерений занести в таблицу.