Экспериментальная часть

Рис.1. Схема установки опыта Франка и Герца

Трехэлектродная лампа заполнена газом, например, парами ртути при давлении в несколько миллиметров ртутного столба. Нить катода разогревается током I _н, величина которого определяется напряжением U _н. Напряжение U _уск, которое ускоряет электроны при их движении от катода к сетке лампы , изменяется потенциометром и измеряется вольтметром. К аноду прикладывается небольшое, относительно сетки задерживающее напряжение U _зад, вследствие чего создается слабое электрическое поле, тормозящее движение электронов. Напряжение U _зад изменяется потенциометром , а его величина контролируется вольтметром. Для измерения анодного тока I _а в цепь включен микроамперметр. На основе измеренных I _а и U _уск строится вольтамперная характеристика, представляющая собой зависимость анодного тока I _а от ускоряющего напряжения U _уск. В опытах, которые были выполнены Франком и Герцем, для заполнения трехэлектродной лампы использовались пары ртути, и вольтамперная характеристика имела вид, показанный на рис.2.

Электроны, испускаемые раскаленной нитью катода вследствие термоэлектронной эмиссии, разгоняются ускоряющим напряжением и, если их энергии достаточны для преодоления задерживающего электрического поля между сеткой и анодом, попадают на анод. По мере возрастания напряжения U _уск все большее количество электронов, испытывающих лишь упругие столкновения с атомами, попадают на анод, и ток I _а увеличивается. При напряжении U _уск = столкновения электронов с атомами становятся неупругими, поскольку их энергии достаточно для перехода атома в первое возбужденное состояние. Потеряв энергию, электроны уже не могут преодолеть задерживающее электрическое поле между сеткой и анодом, и величина анодного тока уменьшается.

При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения остаточная энергия электронов, испытавших неупругие столкновения с атомами, становится достаточной для преодоления тормозящего поля, и величина анодного тока снова начинает возрастать. Если энергия электронов после первого неупругого соударения и последующего ускорения снова окажется равной еU ₁, то они смогут испытать еще одно неупругое столкновение с атомами, и на вольтамперной характеристике появляется второе уменьшение анодного тока. Таким образом, при значениях ускоряющего напряжения на вольтамперной характеристике будут наблюдаться n максимумов, расположенных друг от друга на расстоянии, равном первому потенциалу возбуждения атома. При проведении опыта Франка и Герца ряд факторов приводит к уменьшению глубины минимумов и резкости максимумов на кривой зависимости анодного тока от напряжения. Одна из них связана с тем, что из-за теплового разброса скоростей электронов, эмитируемых катодом, их энергия после прохождения разности потенциалов U _уск оказывается различной. Другая причина состоит в том, что для преодоления задерживающего поля между сеткой и анодом имеет значение только составляющая скорости электрона, направленная вдоль поля.

Рис.2. Вольтамперная характеристика опыта Франка и Герца

Эта составляющая может меняться при упругих столкновениях, поскольку в них сохраняется лишь полная скорость электрона. Кроме того, не все обладающие необходимой энергией электроны, возбуждают атомы при столкновениях. На вид вольтамперной характеристики оказывает также влияние наличие объемных зарядов, возможное загрязнение лампы парами других элементов с иными потенциалами возбуждения. Вследствие контактной разности потенциалов между катодом и сеткой кривая зависимости тока от напряжения может смещаться вправо и влево.

Внешний вид установки показан на рис.3.

Рис.3. Внешний вид установки для проведения опытов Франка-Герца.

1 – термостат с трехэлектродной лампой; 2 – источник питания; 3 – монитор.

Трехэлектродная лампа 1 (рис.3) заполнена парами ртути и предназначена для определения уровней возбуждения атомов ртути в результате их столкновения с электронами. Лампа, используемая в экспериментах, представляет собой триод с плоскими параллельными электродами: нагреваемый катод, покрытый окисью для усиления эмиссии электронов, ускоряющий электрод, выполненный в виде сетки, и собирающий электрод. Расстояние между катодом и сеткой значительно превышает длину свободного пробега электронов в парах ртути при используемых температурах для того, чтобы сделать вероятность взаимодействия максимально высокой. Расстояние же между сеткой и собирающим электродом (анодом) напротив, незначительно.

Первые максимумы на кривой зависимости тока от ускоряющего напряжения лучше всего наблюдать при низких температурах термостата. В основном, используются температуры около 165 ⁰С. Однако, в ряде случаев, лучшие экспериментальные результаты могут быть получены как при более низких (менее 150°C), так и при более высоких температурах (свыше 220 ⁰C). Нагрев лампы осуществляется для того, чтобы находящаяся в ней ртуть испарилась, и образовался пар соответствующей плотности.

Для нагрева трехэлектродная лампа помещается в нагревательный шкаф (термостат) 2 (рис.3), который соединяется с сетью переменного напряжения 220 В посредством шнура питания со штепсельной вилкой. И шнур, и вилка устойчивы к воздействию высоких температур. Внешний вид термостата показан на рис.4.

Рис.4. Внешний вид термостата: 1 – ручка регулирования мощности нагрева	Рис.5. Внешний вид блока питания и управления для исследуемой лампы: 1 - кнопка «Function», для изменения режимов управления блоком питания; 2 – дисплей блока питания

Блок питания и управления (рис.5) необходим для построения вольтамперной характеристики в опыте Франка – Герца на экране монитора компьютера 3 (рис.3). На его передней панели представлены схемы подключения трехэлектродной лампы для двух случаев проведения эксперимента – для лампы с неоном и с ртутью. В данной работе используется лампа с ртутью, схема подключения для этого случая представлена на рис.6.

Рис.6. Схема подключения лампы Франка-Герца для лампы с ртутью.

Снятие вольтамперной характеристики осуществляется в автоматическом режиме с помощью компьютера, подсоединенного к блоку питания и управления.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: