Doświadczenie Francka-Hertza na przykładzie atomów neonu

I Pracownia Fizyczna – Fizyczne Laboratorium Mikrokomputerowe FiLaMi
Energia jonizacji atomów rtęci.
Wydział Fizyki
UAM
Pomiar energii jonizacji atomów rtęci.
Celem ćwiczenia jest pomiar energii jonizacji atomów rtęci. Wielkością mierzoną jest wartość
prądu jonowego (jony rtęci) płynącego w obwodzie anody lampy elektronowej w funkcji
napięcia przyśpieszającego elektrony.
Zagadnienia: ruch ładunku w polu elektrycznym, pole zachowawcze, stany elektronowe atomu,
absorpcja i emisja promieniowania, teoria kinetyczna gazów.
Przyrządy: lampa rtęciowa z zasilaczem i panelem sterującym, komputer ze zintegrowaną kartą
kontrolno-pomiarową i oprogramowaniem, piecyk z kontrolerem temperatury.
Wprowadzenie
Rż
Ż
S1
Ż+K
P1
6V
+
+
A
6V
RA
RS2
P2
-
-
S2
15 V max
+
K3
P3
R
+
K4
5V
-
Rys. 1. Schemat połączeń w lampie rtęciowej.
Zastosowano lampę elektronową z dwiema siatkami: S1 przy katodzie i S2 przy anodzie,
identyczną jak w doświadczeniu Francka-Hertza. O ile rola siatki S1 ogranicza się w zasadzie do
poprawy jednorodności pola elektrycznego przyspieszającego elektrony, o tyle siatka S2 pełni
zasadniczą rolę w tym doświadczeniu. Jej potencjał S2 jest dodatni zarówno względem S1 jak i
anody, przy czym, w odróżnieniu od sytuacji w doświadczeniu Francka-Hertza, potencjał S2 –
anoda jest większy niż potencjał przyspieszający, a więc wszystkie elektrony są zawracane do
siatki S2 i elektronowy prąd anodowy praktycznie nie płynie Napięcie pomiędzy siatkami
przyspiesza elektrony do znacznych prędkości. Napełnienie bańki gazem spowoduje możliwość
oddziaływania elektronów z jego atomami. Jeśli stężenie gazu jest bardzo duże, elektrony
nieustannie zderzają się z jego atomami, powodując wzrost temperatury gazu, a natężenie prądu
płynącego przez lampę jest małe. Obniżenie stężenia (ciśnienia) gazu powoduje wydłużenie
drogi swobodnej elektronów i wzrost natężenia prądu anodowego. Elektrony rozpędzone
pomiędzy siatkami w pewnym stopniu penetrują przestrzeń pomiędzy siatką S2 i anodą,
oddziaływując ze znajdującymi się tam atomami rtęci.
Jeśli napięcie przyspieszające osiągnie wartość Ug taką, że iloczyn Uge zrówna się z
energią jonizacji atomów rtęci, to zaobserwujemy pojawianie się w lampie dodatnich jonów
rtęci. Zjawisko to najczęściej będzie zachodzić w okolicy siatki S2, gdzie elektrony mają
największą prędkość. Te jony rtęci, które powstaną w obszarze pomiędzy siatką S2, a anodą
zostaną przyciągnięte przez ujemny potencjał anody i przyczynią się do przepływu prądu
-1-
I Pracownia Fizyczna – Fizyczne Laboratorium Mikrokomputerowe FiLaMi
Energia jonizacji atomów rtęci.
Wydział Fizyki
UAM
anodowego o kierunku przeciwnym do tego, jaki płynął w doświadczeniu Francka-Hertza (prąd
elektronowy).
Przy interpretacji wyników (położenie załamania na wykresie I(U)) należy zwrócić
uwagę na to, że energia elektronów w okolicy siatki S2 zależy też w pewnym stopniu od
napięcia pomiędzy katodą a siatką S1 (elektrony wnikając w obszar pomiędzy siatkami mogą już
mieć pewną energię lub też dodatkowa energia jest potrzebna, by je w ten obszar wciągnąć).
Należy na koniec przypomnieć, że doświadczenie to, zrealizowane przez Jamesa Francka
i Gustawa Hertza w 1914 r., miało na celu właśnie sprawdzenie hipotezy Bohra o kwantowym
charakterze zjawisk absorpcji i emisji energii przez atomy. Zostało bardzo przemyślnie
zaprojektowane w taki sposób, by pomimo niewidzialnej emisji atomów rtęci, której pary
stanowiły ośrodek oddziałujący z elektronami w lampie, uzyskać jednoznaczny dowód na
dyskretny charakter zjawiska absorpcji energii przez atomy. Franck i Hertz otrzymali za nie
nagrodę Nobla w 1925 r.
Stanowisko ćwiczeniowe.
zasilacz
Kontroler
temperatury
panel
sterujący
Rys. 2. Widok ogólny stanowiska (bez komputera).
Rys. 3. Piecyk z lampą w środku.
Rys. 4. Lampa rtęciowa. W prawym dolnym rogu
widoczna kropla rtęci.
-2-
I Pracownia Fizyczna – Fizyczne Laboratorium Mikrokomputerowe FiLaMi
Energia jonizacji atomów rtęci.
Wydział Fizyki
UAM
Przebieg ćwiczenia.
W naszym zestawie ćwiczeniowym napięcie przyspieszające o maksymalnej wartości ok.
15 V podawane jest poprzez układ RC o stałej czasowej rzędu 100 s. Dzięki powolnemu
narastaniu tego napięcia w lampie, można łatwo śledzić zmiany zachodzące w wartości prądu
anodowego mierzonego jako spadek napięcia na oporniku włączonym szeregowo w obwód
anody. Ewentualne zmiany w przebiegu ćwiczenia wynikające z jego modyfikacji zawsze będą
opisane w części informacyjnej programu (zakładka „Informacje”).
Podłącz sygnał pomiarowy napięcia przyspieszającego do wejścia ACH0, a prądu
elektronowego do wejścia ACH8 panelu karty pomiarowej. Upewnij się, że wejście AISENSE
zwarte jest z masą (GND).
Kontroler temperatury nastaw na ok. 70°C (343 K) i włącz zasilanie grzałki (prawe
skrajne pokrętło na pozycję 300). Upewnij się, że pokrętło P1 (żarzenie) skręcone jest na
minimum. Włącz zasilacz nie zmieniając żadnej z jego nastaw. Panel sterujący lampy przełącz w
tryb "Jon" (wciśnięty niebieski przycisk). Upewnij się, że jest wyciśnięty przycisk czerwony
"US2" podający napięcie przyspieszające. Na zasilaczu pod wskaźnikiem wciśnij przycisk IB i
pokrętłem P1 na panelu sterującym doprowadź wskazanie do 0,75. Co ok. minutę koryguj to
ustawienie do osiągnięcia stabilnej wartości. Poczekaj do uzyskania zadanej temperatury.
Na stronie "Pomiar" niniejszego programu są trzy okna z wykresami U(t), I(t) oraz I(U).
Przycisk "Start" włącza proces rejestracji (usuwając poprzedni pomiar). Przycisk "Stop"
zatrzymuje proces rejestracji. Przy wciąż wyciśniętym czerwonym przycisku na panelu
sterującym lampy uruchom pomiar i pokrętłem "Zerowanie" na bocznej ściance panelu
sterującego doprowadź wskazania wartości prądu anodowego do zera. Zatrzymaj pomiar i
uruchom ponownie, tym razem synchronizując to z wciśnięciem czerwonego przycisku na
panelu sterującym lampy. Obserwuj wskazania wartości prądu z narastającym napięciem
przyspieszającym. Gdy napięcie przyspieszające osiągnie maksymalną wartość, pokrętłem P2
doprowadź ją do ok. 13 V (poczekaj kilka sekund na reakcję lampy). Pokrętło P3 powinno być
ustawiona na ok. 2 V. Prąd anodowy w tych warunkach powinien osiągnąć natężenie ok.
-0,2 nA. Po tych regulacjach wyciśnij ponownie czerwony przycisk i wyzeruj wartość prądu
(pokrętło "Zerowanie"). Uruchom nowy pomiar i zarejestruj go.
Na stronie "Analiza" programu widoczny jest wykres ostatnio zmierzonych danych I(U).
Kursory umożliwiają odczyt wartości napięcia, dla którego rozpoczyna się wzrost prądu
anodowego. Ponadto dwa pokrętła pozwalają dopasować prostą do liniowych części zależności
I(U).
Dostępne z menu kontekstowego (prawy klawisz myszy) opcje "Copy Data" oraz "Export
Simplified Image" pozwalają skopiować zawartość wykresów do schowka systemu Windows.
Można wykorzystać je w protokołach.
Na pulpicie komputera znajdziesz program IrfanView, który można wykorzystać do
prostej obróbki obrazów bitmapowych, np. wyglądu okna programu uzyskanego przez
naciśnięcie klawisza Alt-PrintScreen. Zapis w formacie GIF lub PNG pozwoli zmieścić obrazy
nawet na dyskietce.
Uwagi końcowe
W protokole, oprócz wyniku podstawowego w postaci wykresu zależności I(U) oraz zapisu
obserwacji świecenia lampy, powinny znaleźć się odpowiedzi na następujące pytania:
1. Jaka jest optymalna (dla wyrazistości badanego zjawiska) wartość drogi swobodnej
elektronu? Jak dobrać ciśnienie gazu?
2. Dlaczego minima w zależności I(U) występują w regularnych odstępach? Dla czterech
pierwszych obszarów wzbudzeń oblicz prędkości tych elektronów, które dotarły do tych
miejsc bez utraty energii. Jaką prędkość miały te, które doprowadziły do wzbudzenia?
-3-
I Pracownia Fizyczna – Fizyczne Laboratorium Mikrokomputerowe FiLaMi
Energia jonizacji atomów rtęci.
Wydział Fizyki
UAM
3. Jaka jest wartość energii wzbudzenia atomu rtęci? Jakiej długości fali to odpowiada?
4. Co wyznacza szerokość minimów? Dlaczego maleje względna głębokość kolejnych
minimów?
5. Jaka jest prędkość elektronów, przy której następuje wzbudzenie atomów rtęci? Masa
elektronu to 9,110-31 kg, a jego ładunek to 1.610-19 C.
6. Oszacuj zasadność założenia o słabej wymianie energii kinetycznej pomiędzy
elektronami i atomami rtęci. Oblicz prędkość jaką uszyska nieruchomy atom rtęci przy
centralnym zderzeniu z elektronem rozpędzonym do prędkości obliczonej w zadaniu 5.
Stosunek mas atomu rtęci i elektronu wynosi ok. 400 000. Skorzystaj z zasady
zachowania pędu i energii.
Rys. 5. Przykładowe dane uzyskane w doświadczeniu z lampą rtęciową.
-4-