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

23677. ПОДХОДЫ К ПРОБЛЕМАМ СОЦИАЛЬНОГО РАССЛОЕНИЯ 147.5 KB
  ПОДХОДЫ К ПРОБЛЕМАМ СОЦИАЛЬНОГО РАССЛОЕНИЯ В следующих двух лекциях мы рассмотрим проблемы социальной и экономической стратификации. И вроде бы они демонстрируют понимание того что экономические перспективы человека определяются не только уровнем материального благосостояния родителей но и €œсемейным капиталом€ который складывается из общественной репутации и социальных связей профессиональных навыков и культурных ценностей впитанных в соответствующей социальной среде. Какоето значение еще может иметь размер группы а тип социальной...
23678. МИР ХОЗЯЙСТВА: МОДЕЛИ ОДНОЛИНЕЙНОГО РАЗВИТИЯ 116.5 KB
  МИР ХОЗЯЙСТВА: МОДЕЛИ ОДНОЛИНЕЙНОГО РАЗВИТИЯ Экономика и общество связаны множеством прочных нитей. Базируясь на широком основании культурных властных и других социальных отношений экономика выступает таким образом как мир хозяйства. Каким бы конкретным вопросом не занимался исследователь не важно экономист или социолог он волейневолей всегда исходит из неких концептуальных предположений о том что представляет собой исследуемый мир хозяйства какое место занимает он в историческом процессе.
23679. СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ИДЕОЛОГИЙ 156.5 KB
  Идеалысредства это способы их достижения в числе которых мы обнаруживаем: формы собственности и формы организации хозяйства характер и степень государственного вмешательства в экономику способы распределения благ и утверждения трудового порядка. Консерватизм не отвергает прав индивида как частного собственника а проводит принцип единонаследия майората как способ воспроизводства этой собственности поддерживает наследственные привилегии и принцип назначаемой сверху опеки со стороны собственника или сообщества государства. Ему...
23680. ЧЕЛОВЕК В ХОЗЯЙСТВЕННОЙ СИСТЕМЕ РОССИИ 161 KB
  Дипломы освобождают их от тяжелого физического труда обеспечивают сносный доход и определенный престиж занятий. И отделение €œобразованных€ от €œпростых людей€ воспроизводится весьма отчетливо хотя различия между ними по уровню жизненных стандартов минимальны или просто отсутствуют проявляясь скорее в условиях труда и стиле жизни. Идеи всеобщности труда и благотворности трудового воспитания воплощаются в стремлении не просто к полной но к максимальной занятости когда работу имеют не только все те кто хочет трудиться но и те кто этого...
23681. История социологии 73.5 KB
  Кант и многие другие которые серьезно обогатили наши знания об обществе и поведении людей. Они как и нынешние социологи изучали традиции обычаи нравы и взаимоотношения людей обобщали факты строили концепции которые завершались практическими рекомендациями о том как усовершенствовать общество. Чтобы этого не происходило знать необходимо лишить частной собственности которая согласно Платону развращает нравы людей. К управлению обществом следовало допускать людей достигших 50 лет высокообразованных и талантливых.
23682. ДВА ПОДХОДА К ЧЕЛОВЕКУ В СОЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ 252.5 KB
  Трудно предсказать как пойдет дальше процесс самоутверждения экономической теории и социологии всякая популярность не вечна но сегодня обе дисциплины переместились в центр внимания и возникла необходимость определения их методологических границ. В нашем распоряжении уже имеются примеры удачного описания эволюции представлений о человеке в экономической теории. Кратко ознакомившись с этими этапами в первых двух лекциях следуя сначала за экономистами а затем за социологами в третьей лекции мы перейдем к исходному определению предмета...
23683. ХОЗЯЙСТВЕННАЯ МОТИВАЦИЯ И ТИПЫ РАЦИОНАЛЬНОСТИ 157 KB
  ХОЗЯЙСТВЕННАЯ МОТИВАЦИЯ И ТИПЫ РАЦИОНАЛЬНОСТИ После определения сравнительных контуров экономикотеоретического и экономикосоциологического подходов следует подробнее остановиться на одном из наиболее сложных вопросов характере мотивации поведения человека в экономике. Если некое благо оказывается значимым желаемым для человека то оно превращается в стимул внешний объект стремления актуализированную потребность. Когда же импульс стремления к этому объекту проходит через сознание человека стимул перерастает в мотив внутреннее...
23684. ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВО КАК ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ И ИСТОРИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН 99.5 KB
  ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВО КАК ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ И ИСТОРИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН €œЭкономический человек€ в политической экономии впервые появляется в качестве предпринимателя и под ним подразумевается отнюдь не €œсредний€ человек а именно предприниматель. Предпринимательство относится к числу понятий чрезвычайно богатых по своему содержанию и привлекает внимание целого ряда исследовательских дисциплин. Задача данной и последующей лекций рассмотреть предпринимательство с различных точек зрения: экономиста психолога социолога....
23685. ПРЕДПРИНИМАТЕЛИ КАК СОВОКУПНОСТЬ СОЦИАЛЬНЫХ ГРУПП 100 KB
  Не станем отрицать существования €œприродных€ €œпсихологических€ предпринимателей этих неуемных энтузиастов постоянно генерирующих организационные проекты; начинающих новое предприятие еще не успев реализовать предыдущую идею и оставляющих свое детище на чужое попечение в случае его успеха. В противовес функциональному подходу социологи чаще опираются на структурный подход выделяя предпринимателей как социальный слой21. Принципиальные различия между группами предпринимателей связаны с масштабами и сферой хозяйствования его...