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

77369. РАЗРАБОТКА КОМПИЛЯТОРА ДЛЯ ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ RIDE.L 24 KB
  Согласно которой используя статическую типизацию и перегрузку операторов для описания семантики синтаксических конструкций языка на самом языке можно получать эффективный машинный код. Оператор в качестве аргументов получает несколько выражений и одну строковую константу содержащую ассемблерный код в тернарной форме. В общем случае аппликация операторов происходит так: код реализация оператора подставляется по месту обращения; код определяется следующим образом: если выражение это оператор код фрагментов при проходе слева...
77370. Методика распределенных вычислений RiDE 391 KB
  RiDE это методика для программирования в параллельных распределенных средах основанная на модели потока данных dtflow. Иногда при создании подобных решений используется модель потоков данных Dtflow. В различных вариантах методики основанные на моделях потоков данных применяются для создания процессорных архитектур суперкомпьютеров в целом для программной организации вычислительных потоков в рамках одного процесса и взаимодействия процессов в распределенной вычислительной среде. Методика основана на анализе...
77371. Технология параллельного программирования RiDE 34.5 KB
  УрО РАН RiDE это технология программирования в параллельных распределенных средах на основе модели потока данных dtflow. RiDE основана на анализе различных в том числе и собственных моделей потока данных. Технология RiDE базируется на понятиях хранилища задач и правил.
77372. Микроядро RiDE.C 19.5 KB
  Здесь разумно начать с описания микроядра RiDE. Многие особенности микроядра RiDE.C определяет базовый протокол обмена данными между задачами RiDE.
77373. Язык программирования RiDE.L 18 KB
  Традиционно используемые в HPC языки с архитектурой классических компиляторов: C, C++, FORTRAN, Pascal – не позволяют справляться с этой сложностью настолько хорошо, насколько позволяют более поздние языки: Haskell, JavaScript, Oz, Ruby. Но программы, написанные на таких языках недостаточно эффективны во время исполнения
77374. Распределенная виртуальная сцена в онлайн-визуализации 30.5 KB
  Визуализация результатов вычислений для большого числа задач выполняется с помощью трехмерной графики. Для отображения результатов счета часто применяются стандартные графические пакеты, такие как ParaView или Open Data Explorer. При этом существует необходимость получать представление и о ходе выполнения программы и состоянии обрабатываемых данных.
77375. Изучение социальной тревожности у различных групп пользователей сети Интернет 391 KB
  Провести теоретический анализ работ, посвященных социальной тревожности и проблемам, связанным с использованием сети Интернет и онлайн-игр. Выделить и описать группы пользователей сети Интернет и виды сетевой активности. Выявить факторы, связанные с проявлением высокой социальной тревожности. Подобрать методически инструментарий, позволяющий определить уровень социальной тревожности. Провести анализ различий в проявлении социальной тревожности между респондентами из различных групп.
77376. О подсистеме истории в среде научной визуализации SharpEye 48.5 KB
  Обсуждаются пути реализации подсистемы редактируемой истории в возможности которой должны входить функции отката и повтора манипуляций проделанных пользователем сохранение и восстановлении подобранного вида сцены. Ключевые слова: научная визуализация система визуализации подключаемые внешние модули редактируемая истории откат повтор действий Введение В течение последних лет авторы разрабатывают среду ShrpEye конструктор систем научной визуализации [34]. Соответственно система должна предоставлять пользователю функционал...
77377. Функциональные возможности среды-конструктора систем научной визуализации SharpEye 38.5 KB
  Существующие системы научной визуализации можно разделить на три группы: универсальные системы (VIZIT, ParaView), системы, специализированные для некоторого класса задач (IVS3D, Venus, VolVis); и системы, специализированные для конкретной задачи. Недостатки первых двух групп – сложность в освоении, неизменность встроенных алгоритмов представления или высокая сложность их модификации.