50099

Визначення резонансного потенцыалу збудження атомів гелію методом Франка і Герца

Лабораторная работа

Физика

Прилади і обладнання Трьохелектродна лампа яка заповнена інертним газом гелієм джерело живлення типу ПСИП500 анодної та сіткової ділянок кіл установки автотрансформатор випрямляч струму типу ВСА6А амперметр катодного кола мікроамперметр анодного кола вольтметри Теоретичні відомості та опис установки Різниця потенціалів пройшовши яку електрон зазнає непружного зіткнення з атомом газу внаслідок чого атом переходить основного стану в перший збуджений стан називають резонансним потенціалом. Сила катодного струму вимірюється...

Украинкский

2014-01-15

477.5 KB

0 чел.


. Лабораторна робота № 8

ВИЗНАЧЕННЯ РЕЗОНАНСНОГО ПОТЕНЦІАЛУ збудження атомів гелію методом Франка і Герца

Мета роботи

Визначити резонансний потенціал та частоту резонансного випромінювання атомів гелію, розрахувати величину поперечного перерізу електронно – атомних зіткнень

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати серіальні закономірності у формуванні спектра випромінювання атома водню та вміти їх пояснити за теорією Бора (§4.1), бути ознайомленим з методикою, яку використовували Д.Франк і Г. Герц  для ввизначення резонансного потенціалу збудження атомів (§4.2)

Прилади і обладнання

Трьохелектродна лампа, яка заповнена інертним газом – гелієм, джерело живлення типу ПСИП-500 анодної та сіткової ділянок кіл установки, автотрансформатор, випрямляч струму типу ВСА-6А, амперметр катодного кола, мікроамперметр анодного кола, вольтметри

Теоретичні відомості та опис установки

Різниця потенціалів, пройшовши яку електрон зазнає непружного зіткнення з атомом газу, внаслідок чого атом переходить основного стану в перший збуджений стан, називають резонансним потенціалом. Потенціал, при якому атом переходить з основного стану в другий збуджений стан називають другим, і т.д.

Атоми, які отримують при непружному ударі з електроном енергію , переходять у збуджений стан і, повертаючись в основний, випромінюють світловий квант з частотою  

                             ,                                                                           (1)

де – стала Планка.

В даній лабораторній роботі визначають резонансний потенціал для атомів гелію. Для цього використовується установка, яка відповідає досліду Д. Франка і Г. Герца. Схематично така установка зображена на рис.1.

Рис. 1

Основною складовою експериментальної установки є трьохелектродна лампа, яка складається з скляного балона, всередині якого розміщені анод А, катод К і керуюча сітка С. Лампа заповнена хімічно чистим гелієм при тиску р~.

Розжарювання катода лампи – джерела електронів здійснюється за допомогою автотрансформатора Ат, увімкненого в мережу 220 В (рис. 1). Сила катодного струму вимірюється амперметром . Анод А лампи відносно сітки С знаходиться під невеликою від’ємною напругою Ua, яка створює слабке гальмівне електричне поле. На сітку відносно катода подається прискорююча напруга – Uc , яка контролюється вольтметром V. Анодний струм  вимірюють мікроамперметром μА. В коло катод–сітка включено опір R для обмеження струму у випадку виникнення газового розряду в лампі.

Для визначення резонансного потенціалу атомів гелію, експериментально отримують вольтамперну характеристику лампи , тобто залежність анодного струму Іа від сіткової напруги при постійній анодній напрузі . Оскільки кількість електронів, які досягають анода, визначає величину електричного струму, що протікає в анодному колі лампи, то, очевидно, за зміною анодного струму можна судити про значення першого та інших потенціалів збудження і характер зіткнень електронів з атомами гелію. Таким потенціалам будуть відповідати максимуми на графіку .

Для розрахунку поперечного перерізу  електронно−атомних зіткнень можна використати експериментальну залежність величини анодного струму  від затримуючої напруги  () при =const (рис.2). З рис.2 визначають значення  та , де початковий анодний струм (при Ua=0), а  – величина, яка визначається числом електронів, які зазнали непружного зіткнення з атомами гелію в об’ємі V між сіткою та анодом.

Теорія зіткнень для визначення значення  дає співвідношення:

,                                                               (2)

де е–- заряд електрона; – концентрація атомів газу; п – концентрація електронів;  – швидкість електрона на ділянці лампи сітка–анод;  –  поперечний переріз непружного зіткнення електрона з атомом; V – об’єм між сіткою і анодом.

,                                                                     (3)

де S – площа сітки; d =5·10 –3 м – відстань між сіткою та анодом.

З деяким наближенням потік електронів можна оцінити таким чином:

.                                      (4)

Співвідношення, що визначає величину поперечного перерізу  непружного удару електрона з атомом гелію одержано з (2), (3) та (4):

.                               (5)

Концентрацію атомів газу можна знайти з рівняння:

,

де k – стала Больцмана (); Т – температура катода (~ 2000 K); р – тиск гелію в лампі.

Таким чином, кінцева формула для визначення поперечного перерізу непружного удару електрона з атомом гелію

           .                                                                       (6)

Загальний вигляд установки наведено на рис. 3

Рис. 3

1 джерело живлення анодної та сіткової ділянок електричних кіл (ПСИП-50);

2 вимірювальний блок, до складу якого входять амперметр катодного кола, вольтметр анодного кола, вольтметр кола сітки; 3 лампа, яка наповнена гелієм, в захисному кожусі; 4 випрямляч струму типу ВСА-6А; 5 автотрансформатор; 6 мікроамперметр анодного кола

Послідовність виконання роботи

  1.  Ознайомитися з приладами, які входять до складу лабораторної установки.
  2.  Встановити регулятор напруги на автотрансформаторі 5 в нульове положення і увімкнути його в мережу 220 В. УВАГА! Без дозволу викладача не вмикати.
  3.  Перевести ручки потенціометрів П1 і П2 на джерелі живлення ПСИП-500 в крайнє ліве положення.
  4.  Увімкнути ПСИП-500 в мережу 220 В.
  5.  Регулятором напруги на автотрансформаторі установити в колі катода лампи силу струму, вказану на робочому місці. УВАГА! Під час експерименту стежити, щоб сила струму в катодному колі залишалася сталою.
  6.  Прогрівши лампу протягом 2–3 хв, встановити потенціометром П1 анодну напругу , яка вказана на робочому місці, і вимірювати величину анодного струму , змінюючи потенціометром П2  напругу  на сітці лампи від 0 до 20 В з кроком 0,5 В. Результати вимірювань записати в таблицю 1.

                                                                                                                                                                            Таблиця 1

№ п/п

Uc , В

Іа ,мкА

Ік, А

Ua, В

Резонансний потенціал Uр, В

1

0

2

0,5

3

1,0

...

40

20

  1.  Побудувати графік залежності . З графіка визначити значення резонансного потенціалу  атома гелію.
  2.  За формулою (1) обчислити довжину хвилі фотонів, що випромінюються атомом гелію. Отримане значення довжини хвилі випромінювання записати в таблицю 2.
  3.  Встановити потенціометром П2 постійну напругу  на сітці, вказану на робочому місці, та вимірювати величини анодного струму  , змінюючи потенціометром П1 анодну напругу  від 0 до 11 В з кроком 1 В. Результати вимірювань записати в таблицю 2.

                                                                                                                                                            Таблиця 2

№ п/п

Ік

Uc

Ua

Іа , мкА

, нм

,%

1

0

2

1

3

2

...

...

12

11

  1.  Побудувати графік залежності  і з цього ж графіка визначити значення  та . За формулою (6) розрахувати величину поперечного перерізу  непружного зіткнення електрона з атомом гелію.
  2.   Проаналізувати одержані результати та зробити висновки.

Контрольні запитання

  1.  В чому полягає фізичну суть пружних і непружних ударів електронів з атомами газів?
  2.  Який фізичний факт підтверджує дослід Франка і Герца?
  3.  Поясніть характер зміни вольт-амперної характеристики в досліді Франка і Герца.
  4.  Яким чином, знаючи енергію переходу атома з основного рівня на резонансний, можна визначити  – частоту резонансного випромінювання.
  5.  Вивести робочу формулу для визначення поперечного перерізу  непружного удару електрона з атомами газів.
  6.  Як пояснюється свічення газів в електричному розряді?

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

939. Управление делами Аппарата Администрации Смоленской области г. Смоленск, площадь им. Ленина, 1 311.5 KB
  Общая характеристика Аппарата Администрации Смоленской области. Основные задачи и функции протокольного отдела. Управление делами Аппарата Администрации Смоленской области. Функциональное содержание управленческой деятельности на примере протокольного отдела Управления делами Аппарата Администрации Смоленской области.
940. Исследование основных параметров и схем включения операцион-ных усилителей 231.5 KB
  В ходе работе были определены параметры операционного усилителя К140УД7 на лабораторном стенде и его зарубежного аналога uA741C в среде моделирования Microcap9: коэффициент усиления ОУ без обратной связи, входные токи, входное напряжение смещения, коэффициент ослабления синфазного сигнала.
941. Транспортування небезпечних вантажів автомобільним видом транспорту 2.2 MB
  Визначення перспективного напрямку удосконалення існуючої схеми перевезень легкозаймистих речовин у Угорщину та Румунію. Аналіз українського законодавства в області автомобільних перевезень небезпечних вантажів. Оцінка техніко-економічної ефективності розроблених технологічних рішень.
942. Отечественная история от начала до конца ХХ века 683 KB
  Происхождение и ранняя история восточных славян (расселение, занятия, общественное устройство, религия). Объединение русских земель и образование Московского государства. Государственное реформирование при первых Романовых. Либеральные реформы 60- 70 гг. XIX века. Столыпинская аграрная реформа и ее итоги. Новая экономическая. политика (1921-28г.:причины, содержание, противоречия) НЭП.
943. Привод ленточного транспортёра 224.5 KB
  Промежуточный вал (расчёт на статическую прочность). Определение требуемой мощности электродвигателя. Определение частоты вращения вала электродвигателя. Определение действительного фактического передаточного числа. Крутящий момент в поперечных сечениях валов.
944. Проектирование автоматизированной информационной системы автомобильной стоянки на Delphi 753 KB
  Обзор существующих систем для автоматизации работы автомобильных стоянок. После анализа особенностей среды программирования Delphi и возможностей написания на ней программы было успешно разработано приложение Автостоянка, которое позволяет сотрудникам автостоянки осуществлять простой и удобный поиск клиентов и их авто по базе данных, добавлять новые записи, вести учет платежей за парковочные места.
945. Знакомство с операционной системой MS DOS 68.5 KB
  Просматривать содержимое дисков и каталогов. Выполнять действия над файлами. Выполнять действия над каталогами.
946. Основные команды работы с файлами и каталогами 103.5 KB
  Команды DOS состоят из имени команды и, возможно, параметров, разделённых пробелами. Имя команды и параметры могут набираться как прописными, так и строчными латинскими буквами.
947. Знакомство с программой Volkov Commander 63.5 KB
  Записать в тетрадь все команды и приглашение операционной системы, на которое вводилась каждая команда. Используя программу vc, зарисуйте структуру диска F:. Создайте в корневом каталоге диска E: новый файл с именем new.txt.