Опыты Франка и Герца (стр. 4 из 4)

б)

Рис.6 Области неупругих столкновений электронов с атомами ртути:

а) область I при eV'у=ΔE12;

б) области I и II при eV"у=2E12.

Если теперь немного увеличить ускоряющее поле, то электроны наберут энергию быстрее и заштрихованная область сдвинется влево. Электроны, испытавшие неупругое столкновение, почти полностью отдадут свою энергию, но, оставаясь в ускоряющем поле, опять начнут набирать ее, упруго сталкиваясь с атомами газа, поскольку для последующего второго неупругого столкновения им еще не хватает энергии. Наконец, при перемещении заштрихованной области примерно на середину расстояния катод-сетка (область I Рис.6б), оставшегося пути до сетки будет достаточно, чтобы электроны могли набрать энергию для нового неупругого столкновения в области II и, испытав его, попасть на сетку. В анодной цепи появится второй максимум и минимум, резонансный потенциал VpII теперь уже вдвое превышает Vp

I. Если теперь измерить расстояние между максимумами, то оно окажется для всех Vp одинаковым. Это указывает на то, что во всех этих случаях происходит передача энергии на возбуждение одного и того же уровня - Е2.

Возбуждения более высоколежащих уровней при данных условиях эксперимента практически не происходит. Это связано с тем, что частота столкновений электрона с атомами газа велика и, как только электрон на беретравную или немного превышающую энергию перехода на первый

возбужденный уровень ΔЕ12, он, с большой степенью вероятности, отдает ее атому. Это хорошо прослеживается при измерении анодной характеристики с ростом температуры, а следовательно, и плотности ртутного пара. Минимумы части вольтамперной кривой опускаются и почти касаются оси абсцисс при температуре Т≈150С, что указывает на то, что упругой компоненты в потоке электронов практически не остается.

В самом начале мы рассмотрели пример передачи энергии атому водорода, у которого в простейшем варианте теории - теории атома Бора, схема энергетических уровней проста и показана на Рис.1 Схемы уровней энергии атома ртути значительно сложнее. Самые нижние из возбужденных уровней представляют собой триплет

. При этом уровни триплета настолько близко расположены, что энергии разогнанных электронов вполне хватило бы для возбуждения каждого из них.

Однако, в данном варианте опыта они также не наблюдаются, поскольку разрешающей способности прибора не хватает и следует изменить конструкцию лампы для их наблюдения, что и сделали Франк и Герц в последних экспериментах.

Итак, расстояние между максимумами в опытах Франка и Герца в лампе с парами ртути равнялось 4.9 эВ. Таким образом, при энергии электрона Ткин ≥4,9 эВ происходил неупругий удар с передачей энергии электрона внутренней энергии атома ртути. Электроны, сталкиваясь неупруго с атомами ртути в районе сетки, практически полностью теряли свою энергию и ″отсасывались″ сеткой, на которую их направляло задерживающее поле. Если обратный переход Е2→Е1 происходил с испусканием светового кванта hν = Е2 - Е1, то появлялась в ультрафиолетовой области спектральная линия с длиной волны

(здесь с - скорость света, h - постоянная Планка), что позже и наблюдалось в этом опыте. Следует отметить, что начало характеристики может не совпадать с началом координат в основном из-за контактной разности потенциалов между катодом и сеткой, поэтому измерение резонансного потенциала следует производить по разности VpII - VpI.

Характеристика задержки. Вольтамперная характеристика задержки - это анодная характеристика iА(Vз) как функция задерживающего поля при заданном значении ускоряющего напряжения Vy (Vy теперь играет роль параметра). Интересно получить кривые задержки с двумя значениями параметра Vy, когда Vy меньше резонансного значения и больше его. Очевидно, если Vy < Vр, то неупругих ударов нет и характеристика задержки должна быть похожа на характеристику задержки вакуумной лампы (кривая а, рис. 7).

Рис.7 Вольтамперные характеристики задержки: а) для Vy < Vз,

б) для Vy > Vз.

Если же Vy > Vp, то появляется дополнительная ступенька (соответствующая уменьшению анодного тока, кривая б, рис. 7). Это явление нетрудно объяснить, если, условно, весь ток электронов разделить на две компоненты i = iн + iy, где iн - та часть электронов, которая испытывает неупругие столкновения (когда их энергия будет ≥ eVp) и iу - компонента, электроны которой испытывают только упругие столкновения. С увеличением задерживающего поля, при Vз= Vз′, “неупругая” компонента тока iн попадет на сетку, так как потерявшие энергию электроны будут задержаны полем Vз′. В результате анодный ток упадет до величины iу - “упругой” компоненты,последняя станет равной нулю при Vз > Vу.

На рис.7(б) изображена суммарная по току кривая, имеющая два плато по току в первой и во второй половине характеристики ia(Vз). Если давление в лампе велико, (столкновения очень частые и практически iн>>iy) то начальная часть характеристики практически не будет иметь плато, т.к. уже малое напряжение задержки весь ток направляет на сетку. Ток iy будет мал и кривая будет иметь вид падающей характеристики.

Список используемой литературы

1. Шпольский Э.Ф. Атомная физика.- М.: Наука, 1974, т.1. гл.VII.

2. Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. - М.- Л.: Физматгиз,1963.

3. Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.- М.: Мир, 1974.