WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Министерство образования и науки Российской Федерации УДК 539.14 ББК В38 Омский государственный университет И32 Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ОмГУ 18.06.2004 г., протокол № 2 И32 Изучение рассеяния электронов на атомах (опыт Франка – Герца): Описание лабораторной работы по атомной и ядерной физике (для студентов III курса физического ИЗУЧЕНИЕ факультета ОмГУ) / Сост. Г.Ж. Худайбергенов. – Омск: Издво ОмГУ, 2004. – 12 с.

РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ НА АТОМАХ (ОПЫТ ФРАНКА – ГЕРЦА) Определены содержание, форма, объем и порядок проведения лабораторной работы. Включены необходимые теореОписание лабораторной работы тические сведения, даны методические рекомендации, обеспо атомной и ядерной физике печивающие ее выполнение, контрольные вопросы, а также (для студентов III курса физического факультета ОмГУ) список рекомендуемой литературы.

Для студентов III курса физического факультета.

УДК 539.14 ББК В38 © Омский госуниверситет, 2004 Изд-во ОмГУ Омск 2004 Лабораторная работа e2 F = (-e)E = - r = -kr.

ИЗУЧЕНИЕ РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ R3 НА АТОМАХ (ОПЫТ ФРАНКА – ГЕРЦА) В таких условиях электрон, выведенный каким-либо образом из по ложения равновесия, будет совершать колебания с частотой Цель работы: изучение рассеяния электронов на атомах геk e2 лия. Определение первого потенциала возбуждения атома гелия. w = = m mR3 (e – заряд электрона, m – масса электрона, R – радиус атома). Этим Приборы и инструменты: установка для демонстрации опыта соотношением можно воспользоваться для оценки размеров атома, Франка–Герца, лампа ПМИ-2, заполненная гелием, цифровой мультогда с учетом предыдущего уравнения тиметр GDM-8135, цифровой мультиметр GDM-8145, осциллограф 1 3 универсальный GOS-620/620FG.

e2 R =.

mw2 Дискретность атомных состояний Длине волны =6000 (видимая часть спектра) соответствует Согласно классическим представлениям, атом мог бы излуw 31015 c–1. Следовательно, чить монохроматическую волну (спектральную линию) в том слу1 чае, когда электрон совершает гармонические колебания и, следова 4.82 10-R = 310-8см-2.

тельно, удерживается около положения равновесия квазиупругой 0.9110-27 33 силой вида F=–kr, где r – отклонение электрона от положения равПолученное значение радиуса совпадает по порядку величины новесия. В 1903 г. Дж.Дж. Томсон предложил модель атома, согласс газокинетическими размерами атомов, что можно было рассматно которой атом представляет собой равномерно заполненный поривать как подтверждение модели Томсона. Позже эта модель была ложительным зарядом шар, внутри которого находятся электроны опровергнута опытами Резерфорда, из которых было установлено, (рис. 1). Суммарный положительчто положительный заряд сконцентрирован в центре атома (ядре).

ный заряд шара равен заряду элекОднако модель Резерфорда оказалась в противоречии с законами трона, так что атом в целом нейклассической механики и электродинамики. Поскольку система нетрален.

-e подвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Напряженность поля внутри Резерфорд предположил, что электроны движутся вокруг ядра, опиатома равномерно заряженного r сывая искривленные траектории. Но в этом случае электрон будет шара определяется выражением двигаться с ускорением, в связи с чем, согласно классической элекe R E(r) = r (0 r R), тродинамике, он должен непрерывно излучать электромагнитные R(световые) волны. Процесс излучения сопровождается потерей где e – заряд шара, R – радиус шаэнергии, так что электрон должен, в конечном счете, упасть на ядро ра. Следовательно, на электрон, (см. рис. 2). Таким образом, ядерная модель в сочетании с классичеРис. 1. Модель атома находящийся на расстоянии r от Томсона ской механикой и электродинамикой оказалась неспособной положения равновесия (от центра объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного спектра.

шара), будет действовать сила:

3 В 1913 г. датским физиком Нильсом Бором был выдвинут ряд предположений, А которые противоречили классическим пред- С К ставлениям. Допущения, сделанные Бором, содержатся в двух высказанных им постула тах.

G V 1. Из бесконечного множества элек тронных орбит осуществляются только дис кретные орбиты, удовлетворяющие опредеП – + Рис. 2. Модель ленным квантовым условиям. Электрон, наатома Резерфорда ходящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает.

– + 2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии ћw при переходе электрона из одного стационарного Рис. 3. Схема опыта Франка – Герца состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается Полученные результаты представлены на рис. 4. Видно, что квантовый переход электрона:

сила тока вначале монотонно возрастала, достигая максимума при w = En - Em.

U=4.9 B, после чего с дальнейшим увеличением U резко падала, достигая минимума, и снова начинала расти. Максимумы силы тока повторялись при напряжении U, равном 9.8; 14.7 B и т. д.

Такой ход кривой объясняется тем, что вследствие дискретноОпыт Франка – Герца сти энергетических уровней атомы могут воспринимать энергию только порциями:

Дискретность энергетических уровней атома была подтверждена опытами Франка и Герца в 1914 г. Схема их установки приE1 = E2 - E1 либо E2 = E3 - E1, ведена на рис. 3. В трубке, заполненной парами ртути под небольшим давлением (1 мм рт. ст.), имелись три электрода: катод K, сетка где E1, E2, E3 … – энергия 1-го, 2-го, 3-го и т. д. стационарных соC и анод A. Электроны, вылетавшие с поверхности катода вследст- стояний.

вие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов U, приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было плавно менять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле (разность потенциалов порядка 0.5 В), тормозившее движение электронов к аноду. Исследовалась зависимость силы тока I в цепи анода от напряжения U между катодом и сеткой. Сила тока измерялась гальванометром G, напряжение – вольтметром V.

5 поля. А эта составляющая меняется при упругих столкновениях, сохраняется только полная скорость. Все это ведет к сглаживанию I кривой I=I(V). Этим же объясняется, почему максимумы на кривой не точно при энергии E1, достаточной для возбуждения атома, а несколько меньшей. Наличие контактной разности потенциалов между электродами искажает показания вольтметра V, смещая всю кривую I=I(V) вправо или влево. Однако контактная разность потенциалов исключается, если величину E1 определять по расстоянию между соседними максимумами тока I=I(V).

Таким образом, в опытах Франка и Герца непосредственно обнаруживается наличие у атомов дискретных энергетических уровней.

0.0 4.9 9.8 14.7 U,B Описание установки Рис. 4. Зависимость силы тока I в цепи анода от напряжения между катодом и сеткой U Принципиальная схема экспериментальной установки изображена на рис. 5. Внешний вид передней панели прибора показан на рис. 6.

До тех пор, пока энергия электрона меньше E1, соударения В опыте используется серийная лампа ПМИ-2, заполненная между электроном и атомом ртути носят упругий характер, причем, гелием при давлении 1 мм рт. ст. Источником электронов является поскольку масса электрона во много раз меньше массы атома ртути, вольфрамовый катод, нагреваемый постоянным током. Напряжение энергия электрона при столкновениях практически не изменяется.

накала подается от стабилизированного источника питания, измеряЧасть электронов попадает на сетку, остальные, пройдя задержиется вольтметром V1 и регулируется потенциометром R1 в интервале вающий потенциал, достигают анода, замыкая ток в цепи гальваноот 0 до 12 В.

метра G. Когда энергия, накапливаемая электронами в промежутке Схема может работать в двух режимах: статическом и динакатод – сетка, достигает значения E1, соударения перестают быть мическом. Переключение режимов работы осуществляется тумблеупругими – электроны теряют энергию, равную E1 в неупругих ром Т. В статическом режиме разность потенциалов между катодом процессах. Поэтому доля электронов, преодолевающих потенциальи анодом постоянна, но может регулироваться потенциометром R2 в ный барьер, сократится, вследствие чего наблюдается снижение интервале от 0 до 80 В.

анодного тока.

В динамическом режиме между катодом и анодом существует При напряжении, превышающем 9.8 B, электрон может дважпеременное напряжение частотой 50 Гц, амплитуда которого регуды претерпеть неупругое соударение с атомами ртути, теряя при лируется тем же потенциометром, что и в статическом режиме. Диэтом энергию, кратную потенциалу возбуждения, вследствие чего намический режим предназначен для наблюдения на экране осцилсила тока I снова начнет уменьшаться и т. д. Надо заметить, что для лографа зависимости тока коллектора от разности потенциалов мепреодоления задерживающего поля имеет значение не полная скожду катодом и анодом. Статический режим предназначен для снярость электрона, а только его продольная составляющая, т. е. вдоль тия этой зависимости по точкам. В этом случае напряжение между 7 катодом и анодом измеряется вольтметром V2, ток коллектора – Порядок выполнения работы микроамперметром µA. В обоих режимах работы между анодом и 1. Перед включением установки в сеть проверьте правильколлектором поддерживается постоянная разность потенциалов, ность соединения приборов. Переключите осциллограф в режим X-Y измеряемая вольтметром V3, величину которой можно регулировать и установите точку в правом нижнем углу экрана. Входы X и Y потенциометром R3 в интервале от 0 до 4.5 В.

должны быть открыты, т. е. должны пропускать постоянную составляющую сигнала.

µA 2. Тумблером T переведите схему в динамический режим измерений. Потенциометром R1 установите напряжение накала вход Y 7.07.5 B. Регулируя потенциометром R2 амплитуду горизонтальной V3 анод – коллектор развертки, пронаблюдайте вольт-амперную характеристику Ik=Ik(Va) коллектор 04.5 В лампы. Проследите за ее поведением при изменениях напряжений V3, V1.

анод вход X 3. Тумблером T переведите схему в статический режим измерений, уменьшите до нуля ускоряющее напряжение.

4. Потенциометром R1 установите задерживающий потенциал катод V3 =4.0 B. Увеличивая разность потенциалов между катодом и анодин. стат.

дом потенциометром R2, снимите показания микроамперметра. Отнакал метьте значения напряжения, при которых наблюдается уменьше50 Гц Т 012 В катод - анод V1 Vние тока.

080 В 5. Снимите зависимость Ik=Ik(V1), V2=const для разных значений V3 (V3=1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 4.0 B). Особенно тщательно проведите измерения в областях уменьшения тока.

Рис. 5. Схема экспериментальной установки 6. Постройте графики зависимости Ik=Ik(V1) при V3=const. По графикам определите энергию возбуждения первого уровня атома RR2 T гелия. Оцените ошибку измерений.

VКонтрольные вопросы 1. Сформулируйте постулаты Бора.

2. Какие соударения частиц называются упругими, неупругиVми Запишите закон сохранения энергии для упругого и для неупругого соударения двух тел.

R3. Изобразите и объясните вид вольт-амперной характеристивход X вход Y ки лампы в режиме, когда происходит возбуждение атомов электроРис. 6. Передняя панель нами. Почему наблюдается второй провал 9 4. Покажите, как по результатам измерений вольт-амперной характеристики можно определить контактную разность потенциалов между катодом и ускоряющей сеткой Учебное издание 5. Покажите прямым расчетом, что в условиях эксперимента можно не учитывать теплового движения атомов гелия в лампе.

Составитель Гамзат Жапарович Худайбергенов Рекомендуемая литература 1. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Атомная и ядерная физика. Ч. 1. М.: Наука, 1986. § 14.

ИЗУЧЕНИЕ 2. Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1987. Т. 3.

РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ НА АТОМАХ § 15.

(ОПЫТ ФРАНКА – ГЕРЦА) 3. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в атомную физику.

М.: Наука, 1988. § 14.

Описание лабораторной работы по атомной и ядерной физике (для студентов III курса физического факультета ОмГУ) Технический редактор Е.В. Лозовая Редактор О.А. Сафонова Подписано в печать 30.08.04. Формат бумаги 60х84 1/16.

Печ. л. 0,75. Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 100 экз. Заказ 492.

Издательство Омского государственного университета 644077, г. Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет











© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.