Реферати українською » Физика » Досліди Франка і Герца


Реферат Досліди Франка і Герца

серпні цього ж року.

У 1907 року Франк одружився зИнгридЙозефсон, вони мали дві дочки.Ингрид Франк померла 1942 року після тривалу хворобу. У 1946 року Франк одружився зГертеСпонер, колишньої власної студентці, що стали професором фізикиДьюкского університету уДареме (штат Північна Кароліна). По Другій Першої світової Франк повернувся до своїх досліджень в Чиказькому університеті, ділячи час між Чикаго і сімейних будинком уДареме. У 1949 року він став почесним професором у відставці Чиказького університету та продовжував вести активні дослідження, особливо з фотосинтезу.

Франк помер раптово, коли вони з дружиною у 1964 року гостювали у друзів у Геттінгені.

Колеги знали Франка як доброго, м'якого, демократичного людини, і з них неодноразово зверталися щодо нього по пораду по науковим і особистим справам. Вони згадують його публічний протест проти нацистів та її спробу запобігти використання створення атомної бомби проти цивільного населення як приклади морального мужності.

Крім Нобелівської премії, Франк отримав медаль Макса Планка Німецького фізичного суспільства (1951) і медальРумфорда Американської академії і мистецтв (1955). У 1953 року він став почесним громадянином Геттінгена. Франк входив до багатьох наукових організацій, включаючи американську Національну академію наук, Асоціацію сприяння розвитку науки, Американське філософське суспільство, Американське хімічне суспільство, Американське ботанічне суспільству й так Лондонське корольовське суспільство.


Спільна робота Франка і Герца.

Досліди Франка і Герца (1913 р) з'явилися прямим підтвердженням постулатів Бору (>1913г ), які сповіщали:

1. З нескінченного безлічі електронних орбіт атома,допускаеми класичної механікою, у центральному полі можуть існувати деякі, що утворюють дискретний ряд, зрозумілу постулату Бору про квантуванні моменту кількості руху електрона (цей постулат ми розглядати не будемо). Електрон, які перебувають одній із цих орбіт, має енергієюЕn (n - номер орбіти) і за русі за нею не випромінює електромагнітних хвиль, хоч і з прискоренням. Така орбіта називається стаціонарної.

Отже, внутрішня енергія атома представляє певний набір (хоч і нескінченний, але певний)ДИСКРЕТНЫХ рівнів енергії, які у найпростішому разі для атома водню зображені на Мал.1.

Якщо електрон, наприклад, у атомі водню, рухається за однією з стаціонарних орбіт, він перебуває в одному з цих рівнів (слід пам'ятати, підЕn мається на увазі повна енергія, тобто. E =Tкин +Vпот).E1 – це найбільш нижній рівень, орбіта якого найближена до ядру. Якщо якимось чином передати енергію атома, з урахуванням розглянутим схеми рівнів, ми підійдемо до другого постулату Бору:

2. Зміна внутрішньої енергії, її поглинання чи випущення можна тільки порціями - квантами. При переході електрона вже зn-го стану з енергієюEn до іншого,m-ое стан із енергієюEm величина цього кванта може бути більшою або меншою різниці цих рівнів енергії і дорівнює точноE =En –Em.


Мал.1 Схема енергетичних рівнів атома водню.

Рівні енергії, очевидно на схемою мал.1, насунуться зі зростанням номери n.

При кімнатної температурі переважна більшість атомів перебуває у основному стані - лише на рівніE1, найсильніше що з ядром. Решта рівні -E2,E3 тощо. називаються збудженими, а рівень E відповідає значенням внутрішньої енергії, рівної нулю, починаючи від нього електрон втрачає зв'язку з ядром і невдовзі стає вільним. А, щоб сталося порушення чи відрив (іонізація) електрона, він повинен передати енергіюE |>En -E1| (порушення) чиE I = |E -E1| (іонізація).

Усі рівні енергії, відповідні пов'язаним станам електрона, мають негативною енергією, а вільні електрони - позитивної, цю частину спектра стоїть вище від E і називається безперервним спектром на відміну дискретного спектра. Отже , у шкалою енергій на мал.1 нуль перебуває при E, нижче все значення енергії негативні, а вище - позитивні.

Відлік енергії може бути і південь від найнижчого рівня, вважаючи, що нуль перебуває приE1, таку шкалу може бути шкалою енергій порушення, а енергію, наприклад,E12 =E2 -E1 - енергією переходу в порушена станE2. Якщо постулати Бору вірні, можна було б дослідним шляхом перевірити їх, наприклад, обстрілюючи атом електронами, кінетична енергія якихTкин E12. У цьому лише цьому випадку стався перехідE1E2, можливі також переходиE1 E3 тощо. проте умови спрощеного досвіду наводять, зазвичай, лише у переходамиE1 E2. Вперше цим досвідом поставили Франком іГерцем в1913г. Ідея експерименту зводилася до того, щоб, обстрілюючи атоми певного газу електронами регульованої енергії, ознайомитися з енергетичними втратами цих електронів. Виходячи з цього, Френк і Герц сконструювали прилад, який , сутнісно, представляв ламповийтриод (рис. 2) з катодом K, сіткою З повагою та анодом A, заповнений парами ртуті при тиску 1мм ртутного стовпа.

Рис.2 Принципова схема вимірувольтамперних характеристикгазонаполненного тріода.

Між катодом і сіткою прикладалосяускоряющее електрони напругаVy ( енергія їхeVy), а між сіткою і анодом – затримуюче напругаVз.Задерживающее напруга зазвичай вибиралося невеликим і відігравало роль селектора електронів, спрямовуючи повільні електрони, втративши швидкість післянеупругих сутичок, на сітку.

Розглянемо докладніше процеси, які у такий лампі, їївольтамперние характеристикиiA(Vу) - залежність анодного струму відускоряющего напругиVу (назвемо її анодної характеристикою), і характеристикуiA(Vз) – залежність анодного струму від напруги затримки (назвемо її характеристикою затримки). Для повного розуміння характеру поведінкивольтамперних характеристик корисно вивчити впливом геть них концентрації атомів в колбі лампи. Якщо концентрацію атомів зменшити, довівши його про таку величини, коли кількість сутичок з електронами буде мізерно мало, то таку лампу вважатимуться вакуумної. Насамперед, корисно вивчитивольтамперную характеристику вакуумної лампи.


Вакуумна лампа

 

>Анодная характеристика. Вакуум в лампі повинна бути такою, щоб уникнути сутичок електронів з залишковим (після відкачування) газом лампи. Це означає, що сьогодні середня довжина вільного пробігу електрона у тому посудині мусить бути значно більше розмірів цієї лампи L, (> >>L). Проте спробуємо цілком підходить і менше жорстку умову>L. Таке умова може бути здійснене для лампи, наповненій парами ртуті при кімнатної температурі (>Т200С). І тут тиск парів ртуті невелике і умова>L зазвичай виконується.

>Рис.3 Вигляд анодної характеристики вакуумного тріода.

>Анодная характеристика такий лампи приведено на рис.3 і описує на великихVy явище з так званого струму насичення, що означає, що це електрони, генеровані розпеченій ниткою катода в одиницю часу, досягають анода. Постає питання, чому існує область напруг (>заштрихованная частина кривою) до виходу плато струму насичення , тобто. чому струм насичення немає безпосередньо зVy>0. Річ у тім, що з розпеченій нитки вилітають електрони з різними швидкостями (далі говоритимемо з різними енергіями). Енергії цих електронів розподілені за певним законуf(E). Відповідно до ним є певна кількість дуже повільних і дуже швидких електронів.

Повільні електрони утворюють навколо розпеченій нитки електронне хмару (розпечена нитку, втративши електрони стає позитивно зарядженої і намагається повернути назад залишили її електрони). Отже електронне хмару стає якимось на завадівилетающих електронів, зате принаймні зростання прискорювальній різниці потенціалівVy електронне хмару стискається до розмірів катода (зменшується радіус об'ємного заряду хмари) і всі електрони досягають анода. Плавний перехід на кривою до току насичення пов'язаний і з тим, як берегами волоски розжарення ще відбувається помітне падіння напруги, на різних дільницях її чиннеускоряющее напругаVу різне.

Характеристика затримки. Становить інтерес знайти закон розподілу по енергійf(E) електронів, які покидають катод. Це можна зробити, отримавши, так звану,вольтамперную характеристику затримкиiA(Vз), тобто. знявши залежність анодного струму від напруги затримки при постійному значенніVу. Установивши невеличке значенняускоряющего напруги (у разіVy є параметром) і змінюючиVз, одержимо зображену на рис.4 криву. Область плато струму (>незаштрихованная область) зазначає, щозадерживающей різниці потенціалів замало здобуття права електрони,затормозившись, немає до анода. У заштрихованої області струм починає падати, спочатку затримуються самі повільні електрони, тож під кінець, де струм падає нанівець,- самі швидкі.


>Рис.4Вольтамперная характеристика затримки I>а=f(Vз) вакуумної лампи і його похідна.

 

Отже у цій сфері характеристики видно, що аноду електрони приходять із різними енергіями. Оскільки функція розподілу є число частинокN заданої енергії E, що припадають на інтервал енергіїE (від E доE+E), чи, інакше кажучи, є похіднаdN/dE, то тут для здобуття права її одержати, необхідно зробити графічне диференціювання характеристики затримки:

Тут враховано, щоdiA dN іdVз dE. Функція розподілу зображено в заштрихованої області. Максимум цієї кривою відповідаєелектронам з найімовірнішим значенням енергії Є. Крила кривою зазначають, що повільних і швидких електронів мало. Наполувисоте цієї кривою відстань від точки а до точки б назвемо шириною функції розподілу. Чим більшемоноенергетични електрони, тим вже крива і від ширина. Хорошамоноенергетичность буває у електронних гарматах. Так було в спеціально сконструйованих гарматах ширина функції розподілу електронного пучка може становити десятих і сотої часткиеВ.

>Газонаполненная лампа

 

>Анодная характеристика. Перейдемо тепер безпосередньо до досвіду Франка і Герца. Для цього він в вакуумну лампу треба треба напустити трохи будь-якого атомарної газу (Френк і Герц використовували пари ртуті) до тиску 1 ммHg. Як такий лампи можна використовувати ртутну лампу (в балоні лампи перебуває крапля ртуті), нагріту про таку температури Т, коли<L.

У цьому електрони, генеровані катодом іразгоняемие який пришвидшує напругоюVy між катодом і сіткою, почнуть мати справу з атомами газу. Знявшивольтамперную характеристику такий лампи, побачимо, що на відміну від вакуумної (дивРис.3), у ньому спостерігається ряд максимумів і мінімумів (>Рис.5). Такий характер кривою обумовленийнеупругими зіткненнями електронів з атомами газу.

 

>Рис. 5 Залежність анодного струмуiA від прискорювальній різниці потенціалівVy (>катод/сетка) при невеличкийзадерживающей різниці потенціалівVз (>сетка/анод),Vр - резонансний потенціал.


Розберемо докладніше явища, які угазонаполненной лампі. У початковій області до першого максимуму характеристика справляє враження початкову область характеристики вакуумної лампи. У цій сфері електрониУПРУГО зіштовхуються з атомамиeVy <E12 і те що маса електронаm<< M - маси атома, передача енергії від електрона до атома дуже мала.

>Т Ткинmе/M 10-4Ткин

Хоча за зіткненні електрон втрачає початкове собі напрямок руху, загалом електронний потік спрямований вздовж електричного поля (дрейф вздовж поля) і енергія електрона визначається лише різницею потенціалів катод - сітка. Зі збільшеннямVy електронний потік між тимкатод-сетка набирає енергію, і тільки енергія електронаТкин стає Е12 може відбутисянеупругий удар. На >рис.6азаштрихованная область I представляє царину лампи, де у будь-який її точці приТкинE12 може відбутисянеупругое зіткнення. Проте, чи відбудеться пружне чинеупругое зіткнення, питання ймовірності. Якщо станетьсянеупругое зіткнення, електрон втратить енергію, затримуюче полі відправить його за сітку, іанодний струм впаде, якщо електрон пружно зіштовхнеться й промайне цю галузь, то, подолавши невеличке затримуюче полі, дістанеться анода.

Отже, область першогомаксимума-минимума навольтамперной кривою відповідаєнеупругим сутичкам з передачею енергії електронів внутрішньої енергії атомів газу. ПотенціалVр, відповідний максимуму навольтамперной характеристиці, називається резонансним (перший максимумVрI.).


б)

>Рис.6 Областінеупругих сутичок електронів з атомами ртуті:

а) область I приeV'у=E12;

б) області I і II приeV"у=2E12.

 

Якщо тепер трохи збільшитиускоряющее полі, то електрони наберуть енергію швидше, ізаштрихованная область зрушить вліво.Электрони, випробувалинеупругое зіткнення, майже зовсім віддадуть свою енергію, але, залишаючись вускоряющем полі, знову почнуть набирати її, пружно зіштовхуючись із атомами газу, бо наступного другого непружного зіткнення їх чекає ще бракує енергії. Нарешті, при переміщенні заштрихованої області приблизно за середину відстанікатод-сетка (область IРис.6б), що залишився шляху до сітки буде досить, щоб електрони могли набрати енергію для створення нового непружного зіткнення у сфері II і, відчувши його, відвідати сітку. У анодної ланцюга з'явиться другий максимум і мінімум, резонансний потенціалVpII сьогодні вже вдвічі перевищуютьVp

I. Якщо тепер виміряти відстань між максимумами, воно виявиться всімVp однаковим. Це зазначає, що у всіх таких випадках відбувається передача енергії на порушення однієї й тієї ж рівня -Е2.

>Возбуждения більшвисоколежащих рівнів при умовах експерименту мало відбувається. Це з тим, що частота сутичок електрона з атомами газу великою і, щойно електрон наберетравную чи трохи перевищує енергію переходу перший

збуджений рівеньЕ12, він, із великим рівнем ймовірності, він залишає її атома. Це добре видно виміру атмосферного явища анодною характеристики зі зростанням температури, отже, і щільність ртутного пара.Минимуми частинивольтамперной кривою опускаються, і майже стосуються осі абсцис за нормальної температуриТ150С, що те що, що пружною компоненти серед електронів мало залишається.

У на самому початку ми розглянули приклад передачі енергії атома водню, яка має в найпростішому варіанті теорії - теорії атома Бору, схема енергетичних рівнів проста і підтверджено на Мал.1 Схеми рівнів енергії атома ртуті виявляється значно складнішим. Найбільш нижні з порушених рівнів є триплет . У цьому рівнітриплета настільки близько розташовані, що енергії розігнаних електронів цілком вистачило для порушення кожного їх.

Проте, у цьому варіанті досвіду вони теж спостерігаються, оскільки роздільної здатності приладу бракує і треба змінити конструкцію лампи їхнього спостереження, як і зробили Френк і Герц на минулих експериментах.

Отже, відстань між максимумами в дослідах Франка і Герца в лампі з парами ртуті дорівнювало 4.9еВ. Отже, при енергії електронаТкин 4,9еВ відбувавсянеупругий удар з передачею енергії електрона внутрішньої енергії атома ртуті.Электрони, зіштовхуючисьнеупруго з атомами ртуті у районі сітки, практично цілком втрачали свою енергію таотсасивались сіткою, яку їх направляло затримуюче полі. Якщо зворотний перехідЕ2Е1 відбувалося зиспусканием світлового квантаh =Е2 - Е1, то з'являлася в ультрафіолетової області спектральна лінія із довжиною хвилі

(тут із - швидкість світла, h - стала Планка), що й спостерігалося у тому досвіді. Слід зазначити, що початок характеристики може

Схожі реферати:

Навігація