Цель работы: доказать существование дискретных энергетических уровней атомов; определить потенциал возбуждения атомов газа.

Существование дискретных уровней энергии атомов можно проверить в эксперименте, известном как опыт Франка и Герца (1914 г.)i Схема опыта показана на рис.1.

Трех электродная лампа заполнена инертным газом. Электроны, испускаемые разогретым катодом, разгоняются в ускоряющем электрическом поле, которое создается между катодом и сеткой лампы. На своем пути электроны испытывают соударения с атомами газа. При небольших значениях ускоряющего поля возможны лишь упругие соударения, так как энергия электронов недостаточна, чтобы ионизировать атом и перевести его в возбужденное состояние.

Если увеличивать разность потенциалов между сеткой и катодом , возрастающая энергия электронов оказывается достаточной для возбуждения атомов газа. При возникающих в этом случае неупругих столкновениях кинетическая энергия ускоренного электрона передается одному из электронов атома газа, вызывая его переход на более высокий энергетический уровень (возбуждению). При больших энергиях ускоренных термоэлектронов становится возможным и полный отрыв электрона от атома, т.е. ионизация.

Третьим электродом лампы является коллектор. Между ним и сеткой поддерживается небольшое регулируемое запирающее напряжение порядка единиц вольт. Ток коллектора, пропорциональный числу попадающих на него за секунду электронов, измеряется микроамперметром.

При увеличении ускоряющего напряжения сетки ток в лампе вначале растет, подобно тому, как это происходит в вакуумном диоде. В этом случае происходят только упругие соударения, при которых термоэлектроны практически не теряют энергию, так как их масса в тысячи раз меньше массы атомов газа.

Однако, когда энергия электронов становится достаточной для возбуждения атомов, ток коллектора peзко уменьшается. Это происходит потому, что при неупругих соударениях с атомами электроны практически полностью теряют свою энергию и не могут преодолеть задерживающего потенциала между сеткой и коллектором. При дальнейшем увеличении потенциала сетки ток коллектора вновь возрастает: электроны, испытавшие уже неупругие соударения, успевают вновь набрать энергию, достаточную для преодоления задерживающего потенциала.

Наступает следующее падение тока коллектора, когда часть электронов сталкивается о атомами газа два раза; первый раз на середине пути к сетке, второй раз - вблизи сетки., При .дальнейшем увеличении возможен рост числа неупругих столкновений.

Таким образом, на графике зависимости тока коллектора от напряжения получается ряд максимумов и минимумов, которые отстоят друг от друга на равных изменениях напряжения . Величина равна потенциалу первого возбужденного состояния (рис.2.). Следует отметить, что при малом расстоянии между электродами лампы получается всего один ярко выраженный максимум.

Опыт Франка и Герца в данной работе осуществляется с использованием триода, заполненного инертным газом (тиратрона ТГ1Б). Необходимо отметить, что напряжение , измеренное вольтметром, не равно напряжению между катодом и сеткой. Это объясняется тем, что катод и сетка изготовлены из различных металлов. Различные металлы при одинаковых внешних условиях отличаются друг от друга концентрацией свободных электронов и полной работой выхода. При соединении этих металлов происходит переход свободных электронов из металла с большей концентрацией электронов в металл с меньшей концентрацией. В результате между металлами возникает контактная разность потенциалов . Истинное значение напряжения между катодом и сеткой равно алгебраической сумме и .

1. Собрать схему рис.1. Накал тиратрона уже подключен к источнику питания лампы.

2. Включить блок и выждать 3 мин.

3. Установить напряжение на сетке в диапозоне 6-10 В. Отметить ток анода.

4. Установить запирающее напряжение таким, чтобы ток анода уменьшился вдвое.

5. Измерить зависимость тока анода от напряжения на сетке. Построить график этой зависимости.

6. Определить потенциал ионизации, учитывая, что контактная разность потенциалов приближенно равна -0,7 В.

1. Объясните характер вольт-амперной характеристики в опыте Франка и Герца.

2. С какой целью на коллектор подается запирающее напряжение?

3. Докажите, что при упругих столкновениях электрона с атомом газа энергия электрона практически не меняется.

4. Объясните, на каких участках вольт-амперной характеристики имеет место упругое и на каких неупругое столкновение электрона с атомом.

5. Как проявляется контактная разность потенциалов в опыте Франка и Герца?

6. Как исключить систематическую погрешность, возникающую из-за контактной разности потенциалов?

7. Сформулируйте постулаты Бора.

8. Объясните с помощью квантовой теории существование дискретных энергетических уровней атома.

1. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1979.-Т.3 и более поздние издания этого курса.