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

16320. Дифракция Френеля 292 KB
  Лабораторная работа № 8 Дифракция Френеля Теоретические основы эксперимента Многие явления наблюдаемые в обыденной жизни говорят о том что свет распространяется прямолинейно. Солнечный свет луч прожектора луч лазера ассоциируются в нашем сознании с прямы...
16321. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА 139 KB
  Лабораторная работа ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Упражнение 1. Поляризация света при отражении от плоской границы. Явление Брюстера Описание лабораторной установки Оптическая схема установки представлена на рис.2.1. На оптичес...
16322. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ И НЕИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА СМ – 3 164 KB
  Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ И НЕИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА ПРИ ПОМОЩИ ПОЛЯРИМЕТРА СМ 3 Описание лабораторной установки Поляриметр круговой СМ3 используемый в данной работе применяется для измерения угла вращения пл
16323. Определение удельного вращения и неизвестной концентрации сахарного раствора при помощи сахариметра СУ-3 244 KB
  Лабораторная работа Определение удельного вращения и неизвестной концентрации сахарного раствора при помощи сахариметра СУ3 Описание лабораторной установки Сахариметр СУ3 используемый в данной работе применяется для измерения угла вращения плоскости
16324. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И СРЕДНЕЙ ДИСПЕРСИИ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА ИРФ-22 373.5 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И СРЕДНЕЙ ДИСПЕРСИИ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА ИРФ22 Методические указания содержат подробное описание одной лабораторной работы общего физического практикума по оптике. Целью работы является определение показателей пре...
16325. ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШЕНЕГО ФОТОЭФФЕКТА 174.5 KB
  ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШЕНЕГО ФОТОЭФФЕКТА Теоретическая часть Описание явления. Свет падающий на вещество передает этому веществу энергию в результате чего могут возникать разнообразные эффекты. Среди этих явлений важное место занимает внешний фотоэлектрический эффект ...
16326. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА ПРИ ПОМОЩИ МИКРОСКОПА 137.5 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА ПРИ ПОМОЩИ МИКРОСКОПА Теоретическая часть В основе определения показателя преломления стекла в данной работе используется один из фундаментальных законов геометрической оптики: закон преломления света. Согласно ...
16327. ИЗУЧЕНИЕ МИКРООБЪЕКТОВ ПРИ ПОМОЩИ МИКРОСКОПА 259.5 KB
  Лабораторная работа ИЗУЧЕНИЕ МИКРООБЪЕКТОВ ПРИ ПОМОЩИ МИКРОСКОПА Теоретические основы эксперимента Принцип действия микроскопа основан на формировании увеличенного изображения исследуемого объекта за счет увеличения угла зрения линзами. На рис.1 показан ход ...
16328. Поляризация света. Лабораторный практикум по общей физике 648.5 KB
  Поляризация света Лабораторный практикум по общей физике Оптика Содержание Часть I Теоретические основы эксперимента Электромагнитная природа света. Уравнения Максвелла Поперечность световой волны и поляризация света Поляризация при отражении