42352

Опыт Франка и Герца

Лабораторная работа

Физика

Описание метода и экспериментальной установки В работе используется метод задерживающего потенциала для регистрации неупругих соударений и определения величины энергии передаваемой электроном атому при его соударении с атомом в тиратроне. При абсолютно упругих столкновениях внутренняя энергия взаимодействующих частиц не изменяется и поэтому их суммарная кинетическая энергия после столкновения равна суммарной кинетической энергии до взаимодействия. При неупругом соударении наблюдается переход механической энергии во внутреннюю энергию что...

Русский

2013-10-29

75 KB

11 чел.

Лабораторная работа 9.1.

Опыт Франка и Герца

Библиографический список

Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 3.

Цель работы: определение потенциалов возбуждения атомов гелия (или неона) и экспериментальное подтверждение дискретности энергетических уровней в атомах.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка «Опыт Франка и Герца».

Описание метода и экспериментальной установки

В работе используется метод задерживающего потенциала для регистрации неупругих соударений и определения величины энергии, передаваемой электроном атому при его соударении с атомом в тиратроне.

В классической механике различают упругое и неупругое соударения. При абсолютно упругих столкновениях внутренняя энергия взаимодействующих частиц не изменяется и поэтому их суммарная кинетическая энергия после столкновения равна суммарной кинетической энергии до взаимодействия. При неупругом соударении наблюдается переход механической энергии во внутреннюю энергию, что приводит к уменьшению суммарной кинетической энергии взаимодействующих частиц после столкновения. Изменение внутренней энергии в этом случае равно разности между суммарными кинетическими энергиями взаимодействующих частиц до их взаимодействия  и после их соударения. Используя законы сохранения энергии и количества движения, можно определить изменение внутренней энергии при неупругом соударении:

.

Так как скорости взаимодействующих частиц могут иметь любые значения, то и ΔЕ может иметь самое различное значение.

Электроны, вылетающие вследствие термоэлектронной эмиссии из катода, попадают в ускоряющее поле КС (рис. 1). Электроны, пролетевшие от катода К до сетки С без соударений с атомами гелия, которым заполнен тиратрон до давления
26,6 Н/м
2 (0,2 мм рт. ст.), будут иметь энергию

E = eV,

где V – разность потенциалов между катодом и сеткой. Пролетев сетку, электроны попадают в тормозящее поле. Электроны, испытавшие неупругие взаимодействия с атомами гелия, не попадают на анод А, так как они задерживаются тормозящим полем (1-5) В.

 


О количестве электронов, которые достигли анода, можно судить по показаниям микроамперметра. Полученная в результате опытов вольтамперная характеристика имеет следующий характерный вид (рис. 2).

Вначале с увеличением напряжения наблюдается возрастание тока. Это возрастание происходит по закону

и свидетельствует о том, что количество электронов, достигающих анод, увеличивается. Последнее возможно только в том случае, если электроны испытывают упругие соударения с атомами. Так как масса электрона во много раз меньше массы атома, то при упругом ударе кинетическая энергия электрона почти не изменяется. Величина тока при определенном значении напряжения V1 возрастает до определенного максимума, после чего уменьшается и при дальнейшем увеличении напряжения снова начинает расти. Уменьшение величины тока свидетельствует об уменьшении количества электронов, достигающих анода, несмотря на то, что приобретаемая ими кинетическая энергия на участке КС увеличивается. На основании этого можно сделать вывод, что при кинетической энергии электрона Е1, соответствующей напряжению V1 (Е1 = еV1), электроны, сталкиваясь с атомами гелия и испытывая неупругий удар, теряют почти полностью свою энергию, вследствие чего не могут достичь анода А. При дальнейшем увеличении напряжения сила тока опять возрастает, и следующий максимум тока соответствует напряжению V2 (Е2 = еV2).

Экспериментально было установлено, что резкое возрастание тока в тиратроне с гелием начинается при напряжении на участке КС в 21 и 42 В. Спад тока при напряжении 21 и 42 В свидетельствует о том, что на участке КС электрон испытывает два неупругих соударения.

В результате опытов Франк и Герц пришли к следующим выводам:

  1.  электроны, энергия которых меньше определенного значения Е1, при взаимодействии с атомами испытывают упругие соударения;
  2.  электроны, кинетическая энергия которых больше Е1, при взаимодействии с атомами испытывают неупругие соударения, в результате которых их энергия уменьшается на величину ΔЕ. Электрон при взаимодействии с атомом передает последнему только определенные порции энергии ΔЕ. Атом, получивший при соударении с электроном энергию ΔЕ, переходит в возбужденное состояние. Возвращение атома из возбужденного состояния в основное сопровождается излучением фотона, длина волны которого может быть определена по формуле

.

Значение этой длины волны соответствует длине волны одной из спектральных линий атомов гелия. Таким образом, в опытах Франка и Герца непосредственно обнаруживается существование у атомов дискретных энергетических уровней.

Порядок выполнения работы

  1.  Ознакомиться с работой установки.
  2.  Включить питание.
  3.  Прогреть в течение 1-2 мин. тиратрон.
  4.  С помощью потенциометра П подавать на сетку напряжение через (0,5 – 1) В.
  5.  Записать показания микроамперметра для указанных в  п. 4 напряжений в табл. 1. После окончания опытов прибор выключить.

Таблица 1

V

I

                            V1 =                               V2 =

Задания

  1.  Построить вольтамперную характеристику тиратрона
    I = f(V).
  2.  По графику найти значения потенциалов возбуждения V1 и V2 и записать в табл. 1.
  3.  Рассчитать длину волны λ спектральной линии, излучаемой атомом при переходе из возбужденного состояния в стационарное, учитывая, что при возбуждении им была получена энергия ΔЕ = eV1.
  4.  Оценить по графику доверительный интервал для значений V1 и V2.
  5.  Оценить погрешность измерения длины волны Δλ известными методами.
  6.  Сделать выводы.

Контрольные вопросы

  1.  По графику укажите величину энергии, поглощенной атомами гелия при первом и втором столкновениях.
  2.  Дайте определение потенциала возбуждения.
  3.  В чем суть метода задерживающего потенциала?
  4.  Как вычислить количество электронов, испытавших неупругое столкновение?
  5.  Сформулируйте постулаты Бора.
  6.  Указать на графике величину первого потенциала возбуждения.
  7.  В какой части тиратрона ЛИГ происходят неупругие столкновения электронов с атомами?
  8.  Как вольтамперная характеристика тиратрона ЛИГ подтверждает постулат о дискретности энергии внутренних состояний атома?
  9.  Дать определение неупругого столкновения, исходя из закона сохранения энергии.
  10.  Какие силы действуют на электрон в атоме?


Содержание

Лабораторная работа 9.1. Опыт Франка и Герца………………3

PAGE  9


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 1. Схема опыта Франка и Герца

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиратрона

V, В

I, μA


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53129. Внеклассное мероприятие по немецкому языку «Рождество в Германии» 1.31 MB
  Ведущий 1: Guten Tag, liebe Freunde! Heute feiern wir der hellste Tag - Weihnachten! Heute ist der schönste Tag im ganzen Jahr. Das ist der Weihnachtstag- Wie glänzt der Christbaum hell und klar. Wie freut sich die Kinderschar.
53130. Частини тіла (5 клас) 192.5 KB
  Heute beginnen wir ein neues Thema „Der Mensch“. Wir lernen, wie alle Körperteile heißen. Zuerst hört ihr ein Gedicht und sprecht nach.
53131. Федеративна Республіка Німеччина 70.5 KB
  Частина світу сторона світу країни карлики 25 держав колонізатори країни Західної Європи. Число Андрій Шевченко чудеса світу країни великий Велика сімка. Мотивація навчальної діяльності При знайомстві з регіоном Західної Європи ми зясували що країни цього регіону входять до числа розвинених країн світу а чотири з них Німеччина Італія Франція Великобританія члени Великої сімки. Інструктивна картка №1 Політологи фізико географи Загальні відомості про країну: назва; площа; форма правління; ...
53132. Свята в Німеччині та в Украіні 220.5 KB
  Guten Tag, liebe Kinder und liebe G?ste! Ich freue mich sehr, euch alle zu sehen und ich hoffe, dass ihr gute Zeit haben werdet. Feste und Br?uche spielen eine wichtige Rolle im Leben des Volkes. Und Deutsche haben Feiertage auch sehr gern. Der deutsche Dichter Joseph von Eichendorff hat?ber Feiertage ein Gedicht geschrieben...
53133. Leseverstehen. Das Märchen „Das Salz“ 52 KB
  Die dritte Tochter weinte und verließ ihren Vater. Aber bald sah man keine fröhlichen Menschen mehr. Brot ohne Salz, Fleisch ohne Salz, Gemüse ohne Salz -- das alles schmeckte den Menschen nicht. Sie hatten keinen Appetit mehr, sie wollten nicht mehr essen. Auch die Arbeit bereitete ihnen keine Freude mehr. Der König sah das alles. Das Essen schmeckte ihm auch nicht. Es gab kein Salz im Land mehr.
53135. Йоганн Вольфганг фон Гете – виразник ідей Просвітництва. Творчий і життєвий шлях письменника. Образ Фауста у літературі, музиці, малярстві 82.5 KB
  Liebe Freunde! Ich wünsche euch einen wunderschönen Guten Morgen und freue mich euch wiederzusehen. Wir werden heute über die Gestalt des Faust und den Unterstied dieser Gestalt im Werken von Goethe und Puschkin sprechen und wie diese Gestalt des Faust sich in der Musik und Malerei widergespiegelt hat.
53136. Гетьманщина наприкінці ХVІІ - у першій половині ХVІІІ ст 124.5 KB
  Підручники таблиця Іван Мазепа роздатковий матеріал. Мазепа біографія Дискусійний клуб Обери позицію: дати оцінку діяльності І. Мазепа історична постать неоднозначна таємничо загадкова і до цього часу. В літературних творах оспівано його образ...
53137. Гідросфера. Позакласний захід (КВК) з географії для 6 класу 40.5 KB
  ХІД ГРИ Ведучий: Сьогодні ми проводимо географічний КВК під час вивчення теми Гідросфера. Одиниця вимірювання солоності води проміле. На Дніпрі споруджено 6 великих водосховищ які створюють величезний запас води для більш посушливих південних і східних областей України. Значна кількість дніпровської води подається каналами і трубопроводами в південні і східні регіони України з постійним дефіцитом прісної води.