ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

   Цель работы.

      1.Определение первого потенциала возбуждения атомов инертного газа (аргон или криптон) по вольтамперной зависимости I(U) электронной лампы.
2. Определение энергии возбуждения атомов инертного газа, длины волны и массы излученного фотона.

Оборудование:

Тиратрон ТГ (газонаполненная трехэлектродная лампа), звуковой генератор, вольтметр, осциллограф.

Краткая теория

В 1911 году Э.Резерфорд исследуя рассеяние а – частиц тонкими металлическими фольгами пришел к созданию ядерной (планетарной) модели атома. Согласно этой модели атом занимает область с линейными размерами В его центре находится ядро, диаметром в котором сосредоточена почти вся масса атома. Ядро имеет положительный заряд Ze, где Z - порядковый номер в таблице Менделеева; e - заряд электрона. Вокруг ядра под действием кулоновских сил вращаются Z электронов. Атом электрически нейтрален. Попытка объяснить с помощью классической теории свойства атома водорода, состоящего из ядра с зарядом +е и электрона, привела к серьезным противоречиям. Так как электрон в атоме движется с ускорением, то, согласно классической теории, атом должен непрерывно излучать энер-гию. Это означает, что электрон не может удержаться на круговой орбите – он должен по спирали приближаться к ядру и частота его обращения вокруг ядра, а следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн, должна непрерывно увеличиваться. Иными словами, электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр, а сам атом является неустойчивой системой. В действительности эксперименты показывают, что: а) атом является устойчивой системой; б) атом излучает при определен-ных условиях; в) излучение атома имеет линейчатый спектр.
Для разрешения противоречий датский ученый Н.Бор в 1913 году предложил следующие постулаты.
Первый постулат (постулат стационарных состояний). Существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергию. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные стационарные орбиты, по которым движется электрон под действием кулоновской силы.
Второй постулат (правило квантования орбит). Из всех возможных орбит являются разрешенными те, для которых момент импульса электрона пропорционален главному кванто-вому числу n:

Третий постулат (правило частот). При переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его состояниях:

На основании своих постулатов Бор разработал элементарную теорию водородоподобного атома. В простейшем предположе-нии, движение электрона в атоме происходит по круговой орбите радиуса r вокруг протона под действием силы Кулона. Уравнение такого движения имеет вид:


Формула идеально совпала с раннее найденной эмпирически Ридбергом сериальной формулой, с помощью которой были объяснены спектральные закономерности атома водорода. Кроме того, с помощью теории Бора был установлен состав постоянной Ридберга. Опыты Джеймса Франка и Густава Герца выполненные в 1913 году показали существование у изолированных атомов дискретных уровней энергии и явились прямым подтвержде-нием квантовых постулатов Бора. За эту работу им в 1925 году была присуждена Нобелевская премия. Опыт Франка-Герца можно проиллюстрировать с помо-щью электронной лампы, наполненной инертным газом. Схема измерительной установки.
Электронная лампа находится в рабочем состоянии когда на нить накала НН ее катода К подано напряжение 6,3 В. Из раскаленного катода вылетают термоэлектроны с разнообразными скоростями и попадают в переменное электрическое поле, создаваемое звуковым генератором ЗГ между управляющей сеткой С и катодом К. Эффективное напряжение Uэфф контролируется по вольтметру V. Когда на сетку лампы подается отрицательный потенциал, ток в анодной цепи отсутствует, лампа заперта. В течение следующего полупериода на сетку лампы подается возрастаю-щий положительный потенциал, лампа открыта. От генератора часть тока I1 протекает по цепи сетка - катод, другая часть I2 – по цепи резистор R - анод А - катод К. Ток I2 создает на резисторе R небольшое падение напряжения, приложенное к электродам ламы сетка – анод. Благодаря этому напряжению электроны движутся в области сетка – анод в слабом тормозном электрическом поле. В области катод – сетка движение электро-нов ускоренное. В ускоряющем поле электроны приобретают дополни-тельную кинетическую энергию. Если эта энергия меньше энергии возбуждения атомов инертного газа, то электроны испытывают с ними упругие столкновения без потери энергии. При этом электроны приобретают скорость, достаточную для преодоления небольшого задерживающего напряжения между анодом и сеткой лампы. В анодной цепи протекает ток. С увеличением напряжения между сеткой и катодом лампы анодный ток возрастает до тех пор, пока, это напряжение не достигнет значения первого потенциала возбуждения атомов инертного газа. При этом электроны, прошедшие ускоряющую разность потенциалов между катодом и сеткой лампы, приобретают энергию, достаточную для перевода атомов инертного газа из основного состояния в первое возбужденное состояние. В результате неупругих столкновений с атомами инертного газа, скорость большинства электронов уменьшается и они не могут преодолеть задерживающее напряжение между анодом и сеткой лампы, что приводит к уменьшению анодного тока I2. Падение напряжения на резисторе UR, созданное током I2, подается на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. На горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) подается напряжение пилообразной формы от генератора развертки ГР. При равенстве частот генератора развертки и звукового генератора на экране осциллографа наблюдается устойчивая осциллограмма . По осцил-лограмме можно определить первый потенциал возбуждения атомов инертного газа по уменьшению анодного тока Измерив критическое значение Uэфф , при котором на осциллограмме появляется первый минимум, можно определить энергию возбуждения атомов инертного газа, равную разности энергий первого возбужденного и основного состояний атома: