11291

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

Лабораторная работа

Физика

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА Цель работы. 1.Определение первого потенциала возбуждения атомов инертного газа аргон или криптон по вольтамперной зависимости IU электронной лампы. 2. Определение энергии возбуждения атомов инертного газа длины волны и массы излученного фот

Русский

2013-04-05

202 KB

36 чел.

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

Цель работы. 1.Определение первого потенциала возбуждения атомов инертного газа (аргон или криптон) по вольтамперной зависимости I(U) электронной лампы.

2. Определение энергии возбуждения атомов инертного газа,  длины волны и массы излученного фотона.

Оборудование: тиратрон ТГ (газонаполненная трехэлектродная лампа), звуковой генератор, вольтметр, осциллограф.

                         

      Краткая теория

      Согласно планетарной модели атома Э.Резерфорда атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд , где - порядковый номер в таблице Менделеева,  - заряд электрона. Вокруг ядра под действием кулоновских сил вращаются  электронов. Атом электрически нейтрален.

         Так как электрон в атоме движется с ускорением, то, согласно классической теории, атом должен непрерывно излучать энергию. Это означает, что электрон не может удержаться на круговой орбите – он должен по спирали приближаться к ядру и частота его обращения вокруг ядра, а следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн, должна непрерывно увеличиваться. Иными словами, электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр, а сам атом является неустойчивой системой.

         В действительности эксперименты показывают, что: а) атом является устойчивой системой; б) атом излучает при определенных условиях; в) излучение атома имеет линейчатый спектр.

Для разрешения противоречий датский ученый Н.Бор в

1913 году предложил следующие постулаты.

 Первый постулат (постулат стационарных состояний). Существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергию. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные стационарные орбиты, по которым движется электрон под действием кулоновской силы.

 Второй постулат (правило квантования орбит). Из всех возможных орбит являются разрешенными те, для которых момент импульса электрона пропорционален главному квантовому числу :

,    (1)

где: –постоянная Планка;  – масса электрона; –радиус  –й орбиты, - скорость электрона на ней  (=1,2,3...).

 Третий постулат (правило частот). При переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его состояниях:

   ,    (2)

если , то происходит излучение фотона, если  - поглощение фотона.

   На основании своих постулатов Бор разработал элементарную теорию водородоподобного атома. В простейшем предположении движение электрона в атоме происходит по круговой орбите радиуса  вокруг протона под действием силы Кулона. Уравнение такого движения имеет вид:

  (3)

где - коэффициент пропорциональности.

Из (1) и (3) следует, что скорость электрона на  - й орбите

,    (4)

тогда радиус – й  орбиты:

     (5)

где – боровский радиус.

Кинетическая энергия электрона на  – й орбите, с учетом (4)      (6)

Потенциальная энергия электрона на n –ой орбите, с учетом (5)                (7)

Полная энергия электрона на  –ой орбите, с учетом (6) и (7),     (8)

Максимальное значение этой полной энергии, равное нулю, достигается при . Как следует из (8), для удаления электрона от протона, т. е. для ионизации атома водорода, необходима энергия .

 С учетом правила частот (2) поглощать и отдавать энергию атом может лишь порциями, переходя из го состояния в -ое     (9)

Если энергию фотона (9) выразить через длину волны  то получим сериальную формулу:          (10)

где - постоянная Ридберга.

      Опыт Франка-Герца можно проиллюстрировать с помощью электронной лампы, наполненной инертным газом. Схема измерительной установки приведена на рис.1.

Электронная лампа находится в рабочем состоянии, когда на нить накала НН катода К подано напряжение 6,3 В. Из раскаленного катода вылетают термоэлектроны с разнообразными скоростями и попадают в переменное электрическое поле, создаваемое звуковым генератором ЗГ между управляющей сеткой С и катодом К. Эффективное напряжение  контролируется по вольтметру V.

          Когда на сетку лампы подается отрицательный потенциал, ток в анодной цепи отсутствует, лампа заперта. В течение следующего полупериода на сетку лампы подается возрастающий положительный потенциал, лампа открыта. От генератора часть

тока I1 протекает по цепи сетка - катод, другая часть тока I2 – по цепи резистор R - анод  А - катод К (см. рис.1).  Ток I2 создает на резисторе R небольшое падение напряжения, приложенное к электродам ламы сетка – анод. Благодаря этому  напряжению электроны движутся в области сетка – анод в слабом тормозном электрическом поле. В области катод – сетка движение электронов ускоренное.

В ускоряющем поле электроны приобретают дополнительную кинетическую энергию. Если эта энергия меньше энергии возбуждения атомов инертного газа, то электроны испытывают с ними упругие столкновения без потери энергии. При этом электроны приобретают скорость, достаточную для преодоления небольшого задерживающего напряжения между анодом и  сеткой лампы. В анодной цепи протекает ток.  С увеличением напряжения между сеткой и катодом лампы анодный ток возрастает до тех пор, пока, это напряжение не достигнет значения первого потенциала возбуждения атомов инертного газа. При этом электроны, прошедшие ускоряющую разность потенциалов между катодом и сеткой лампы, приобретают энергию, достаточную для перевода атомов инертного газа из основного состояния в первое возбужденное состояние. В результате неупругих столкновений с атомами инертного газа скорость большинства электронов уменьшается и они не могут преодолеть задерживающее напряжение между анодом и сеткой лампы, что приводит к уменьшению анодного тока I2. Падение напряжения на резисторе UR, созданное током I2, подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. На горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) подается напряжение пилообразной формы от генератора развертки ГР. При равенстве частот генератора развертки и звукового генератора на экране осциллографа наблюдается устойчивая осциллограмма (см. рис.1). По осциллограмме можно определить первый потенциал возбуждения атомов инертного газа по уменьшению анодного тока (I2 ~ UR).          

         Измерив критическое значение , при котором на осциллограмме появляется первый минимум, можно определить энергию возбуждения атомов инертного газа, равную разности энергий первого возбужденного и основного состояний атома:

,   (11)

где  - амплитуда синусоидального напряжения на выходе генератора,  - заряд электрона.

    Атомы инертного газа, возбужденные в результате неупругого взаимодействия с электронами, по прошествии очень короткого времени (~10-8 с), вновь возвращаются в основное состояние, испуская при этом квант света (фотон), энергия которого равна разности энергий возбужденного и основного состояний и определяется по формуле (11).

    Возбужденный атом инертного газа высвобождает поглощенную энергию, испуская фотон. При энергии возбуждения E длина волны и масса такого фотона соответственно равны:     ;    (12)

    ,   (13)

где  - постоянная Планка,

      - скорость света в вакууме.

            Выполнение работы

Задание 1. Определение первого потенциала возбуждения атомов инертного газа

    1. Включите в сеть трансформатор цепи накала выбранного тиратрона звуковой генератор, вольтметр и осциллограф. Используя пояснения к настройке работы (планшет находится на рабочем месте) приступить к выполнению задания для одной из ламп.

    2. На выходе звукового генератора установите первое значение частоты  (частотный диапазон для выбранного газа указан на планшете), а по вольтметру – напряжение (≈5В).

    3. Регуляторами яркости, фокусировки, усиления (по верти-кали и горизонтали) и частоты развертки добейтесь четкого изображения осциллограммы на экране (см. рис.1).

    4. С помощью потенциометра на передней панели звукового генератора уменьшить ускоряющее напряжение, а затем плавно увеличивать его до тех пор, пока на осциллограмме не появится первый минимум (см. рис.1). Запишите значение  и вычислите по формуле первый потенциал возбуждения атомов инертного газа.

    5. Повторите измерения первого потенциала возбуждения для нескольких (7-10) значений частоты  звукового генератора. Полученные данные занесите в таблицу 1.                  

                                       Таблица 1

п/п

1

2

3

4

5

6

10

Гц

В

В

6. Для первого потенциала возбуждения проведите статистическую обработку измерений. Результаты занесите в таблицу2.  

                                                                                  Таблица 2             

п/п

1.

2.

.

.

10.

Ср.

Примечание. По заданию преподавателя пункты 2-6 повторить для второй лампы.


   Задание 2. Определение энергии возбуждения атомов инертного газа, длины волны и массы излучаемых фотонов.

    1. По среднему значению первого потенциала возбуждения  вычислите по формуле (11) энергию возбуждения  атомов инертного газа в Дж и эВ.

    2. Определите относительную и абсолютную погрешности измерений по формулам:

 .  (14)

    3. Результат измерений представить в виде .

    4. Вычислите по формулам (12) и (13) длину волны и массу  фотона, излученного атомом инертного газа.

    5. Определите относительную и абсолютную погрешности длины волны и массы по формулам, аналогичным (14).

   6. Результаты вычислений представить в виде  и .

   7. Сравните вычисленную длину волны с цветом излучения, наблюдаемым в эксперименте. По проделанной работе сделайте вывод.

                               Контрольные вопросы

  1.  Какие противоречия возникали при классической трактовке модели атома Резерфорда – Бора?
  2.  Сформулируйте постулаты Бора.

3.   Приведите теорию водородоподобного атома Бора.

4.  Опишите опыты Франка-Герца и какое значение они имели в развитии теории атома?

5.   Сформулируйте этапы выполнения лабораторной работы.

                           

Рекомендуемая  литература

1.  Савельев И.В. Курс  физики. Т2.   М.: Наука. 1989. §§ 42,43,50.

2.  Трофимова Т. И. Курс  физики.  М.: Высшая школа. 2003. 208-212.

 

Составители: А.П. Кудря, О.А. Лещёва, И.В. Мардасова, О.М. Холодова.

Опыт Франка – Герца

Методические указания к лабораторной работе № 22

по физике

(Раздел «Атомная физика»)

Редактор А.А.Литвинова

В печать

Объём     усл.п.л. Офсет. Формат 60х84/16.

Бумага тип №3. Заказ №       . Тираж          . Цена           

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,1.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3248. Философия: задания и упражнения 2.41 MB
  В пособие включены основные теоретические положения, упражнения и практические задания по курсу "Философия", а также некоторый дополнительный материал, облегчающий пользование пособия Назначение пособия - включить изучающих философию в проблемную си...
3249. Производственный менеджмент. Тексты лекций 586.5 KB
  Введение Современное производство характеризуется постоянно изменяющимися параметрами внешней и внутренней среды, острой необходимостью оперативно применять прогрессивные технологии изготовления продукции, организации и управления предприятием, в ко...
3250. Изучение омических сопротивлений 208 KB
  В настоящей лабораторной работе «Изучение омических сопротивлений» рассматриваются основные законы электрического тока. Вводятся понятия сопротивления, напряжения, разности потенциалов и эдс. Показаны различные способы определения омических...
3251. Анализ эксплуатации локомотивов и работы локомотивных бригад в локомотивном депо 533 KB
  Приведены цели и задачи эксплуатационно-управленческой практики, порядок организации и прохождения практики, права и обязанности студентов во время прохождения практики и требования к отчету по итогам практики. Изложены методика сбора информации и н...
3252. Управление документооборотом на предприятии 197 KB
  Управленческие документы. Состав. Классификация  Общие понятие документационного обеспечения управления Документ – материальный носитель информации, предназначенный для ее обработки и передачи во времени и в пространстве. Понятие д...
3253. Тематическое своеобразие серий публикаций о мировом экономическом кризисе 67.5 KB
  Тематическое своеобразие серий публикаций о мировом экономическом кризисе Кризис - это внутренний механизм насильственного приспособления размеров общественного производства к объему платежеспособного спроса хозяйственных субъектов. Это всеобщее...
3254. Контроль точности при сборке 256.5 KB
  Контроль точности при сборке Осуществляемые в процессе сборки контрольные операции дают возможность установить в соединениях, сборочных единицах и в машине степень соответствия относительного положения и перемещения исполнительных поверхностей техни...
3255. Ритмичная и бесперебойная работа рудных шахт на примере рудника 737.5 KB
  Современные шахты и рудники представляют собой высокомеханизированные горнодобывающие предприятия, оборудованные различными электрифицированными машинами, механизмами и установками. Важное значение имеют стационарные установки: подъем...
3256. Окна, двери и эксплуатационные требования к ним 42 KB
  Окна, двери и эксплуатационные требования к ним В зданиях много окон и дверей, а потому от их технического состояния, в частности герметичности, во многом зависит температурно-влажностный режим в помещениях. Внешний вид, расположение окон на фасаде...