«Измерение энергии первого возбужденного уровня атома ртути и его энергии ионизации». Лаба1_Петров_Иван_2ИБ. Лабораторная работа 1 Измерение энергии первого возбужденного уровня атома ртути и его энергии ионизации
 Скачать 494.86 Kb.
|
|
Физика Лабораторная работа №1 «Измерение энергии первого возбужденного уровня атома ртути и его энергии ионизации» Выполнил студент второго курса физико-технического факультета группа 2ИБ Петров Иван 4.10.2021 Цель работы: выполнить измерение потенциала первого возбуждённого уровня атома и потенциала ионизации атома ртути. Оборудование: источник стабилизированного напряжения, ртутный тиратрон, вольтметр, микроамперметр, источник тока подогрева катода тиратрона. Ход работы: 1. Изучить инструкцию к выполнению лабораторной работы и устно подготовить ответы на контрольные вопросы, используя рекомендованую литературу. 2. Ознакомится с оборудованием лабораторной работы, определить стандартные погрешности измерения потенциала сетки вольтметром V и тока микроамперметром. 3. Получить допуск к выполнению работы. Для этого необходимо знать порядок выполнения работы, процедуру вычисления энергии первого возбуждённого уровня и энергии ионизации атома ртути, и вычисления погрешности Е2, Еи. 4. Проверить правильность подсоединения приборов к тиратрону. Ручку переменного сопротивления R1 (Потенциал сетки) повернуть до упора против часовой стрелки. Шунт микроамперметра поставить в положение 1мкА. 5. Включить источник тока накала тиратрона. После 25-30 минут прогрева тиратрона (установления теплового баланса) включить источник стабилизированного напряжения и ручкой «U-грубо» установить напряжение 20 вольт. Ручку «І-грубо» установить в среднее положение. 6. Включите (в сеть 220В) микроамперметр, переключатель шкалы шунта микроамперметра поставьте в положение 1 μ А, предварительно сняв микроамперметр с арретира. 7. Снять зависимость тока І анода тиратрона от потенциала сетки Uc .Значения тока отсчитывать через каждые 0,2 вольта от 0 до 11 вольт. Следует учесть, что вблизи значения потенциала ионизации ток анода резко возрастает, поэтому необходимо своевременно переходить на другую шкалу микроамперметра. 8. Построить график ℓgI(мкА) = (3/2)•ℓgUc(вольт), найти по точкам излома графика Uc1 и Uc2, рассчитать энергию первого возбуждённого уровня атома Е2 = еUc1 и энергию ионизации атома ртути Еи = еUcи. 9. Определить погрешности измерения Е и Еи. Сделать выводы по итогам измерений. Вопросы к лабораторной работе: 1. Перед вами три графика зависимости тока анода от потенциала сетки, снятые при разных температурах стенок колбы тиратрона. Укажите какой из них построен при самой высокой температуре, какой – при самой низкой. Объясните вид полученных зависимостей.  График 1  График 2  График 3 2. Какой из этих графиков зависимости анодного тока от потенциала сетки тиратрона (при одной и той же плотности ртутных паров) построен в логарифмическом масштабе?  График 1  График 2 3. Определите по точкам излома на графике потенциалы возбуждения и ионизации, и рассчитайте энергию первого возбужденного уровня и энергию ионизации атома ртути.  4. Какой должна быть плотность ртутного пара в тиратроне для успешного проведения опыта Франка и Герца? 5. Почему в нашем опыте нельзя определить потенциалы возбуждения 2-го, 3-го и т.д. возбужденных уровней атома ртути? 6. Опишите физические процессы, происходящие в тиратроне. 7. Дайте определение энергии ионизации. 8. Чем объясняется свечение ртутного пара в пространстве между сеткой и катодом? 9. Чем отличаются упругие и неупругие столкновения электронов с атомами? При каких условиях возможны неупругие столкновения? 10. Как устроен ртутный тиратрон, и какие потенциалы подаются на его электроды? 11.В чем состоит значение опытов Франка и Герца для атомной физики ? Ответы на вопросы: 1. График №3 построен при самой низкой температуре, график № 1 — при самой высокой. 2.График №2 построен в логарифмическом масштабе. 3. Потенциалы возбуждения: 1)  2)  3)  Ионизация:    Найдем E ионизации, n = 1:   Найдем  при Z = 80 для ртути:  Энергия фотона:  4.Для успешного проведения опыта плотность ртутного пара должна быть такой, чтобы средняя длина свободного пробега электронов была в 2–3 раза меньше расстояния между катодом и сеткой. 5. Возбуждение более высоких уровней ускоренными электронами можно наблюдать лишь при давлениях, существенно меньших, чем в опытах Франка и Герца. 6. При избранном рабочем режиме в тиратроне происходят следующие процессы. Оксидный катод в результате нагрева его поверхности дотемпературы 700-800 С испускает большое количество электронов, которые создают возле катода отрицательный объемный заряд. Эти электроны ускоряются приложенным к сетке напряжением U. 7. Энергия ионизации - это энергия, необходимая для отрыва электрона от атома. Чем больше электронов на внешнем электронном слое, тем больше энергия ионизации. С увеличением радиуса атома энергия ионизации уменьшается. Этим объясняется уменьшение металлических свойств в периодах слева направо и увеличение металлических свойств в группах сверху вниз. 8. Включают накал тиратрона и ожидают (около 20-30 мин), пока тиратрон нагреется. После включения измерительного блока и приоткрывания печи наблюдают свечение ртутного пара в пространстве между катодом и сеткой при максимальном ускоряющем напряжении U. Плавно уменьшая напряжение U, следят за перемещением границы свечения и определяют напряжение U min, при котором свечение полностью исчезает. Из этого можно сделать вывод, что свечение ртутного пара объясняется увеличением потенциала сетки. 9. Атомные столкновения - элементарные акты соударения двух атомных частиц, делятся на упругие и неупругие. При упругих столкновениях суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц не меняется, а лишь перераспределяется между ними и изменяются направления их движения. В неупругих столкновениях меняется внутренняя энергия сталкивающихся атомных частиц (они переходят на др. уровни энергии) и соответственно меняется их полная кинетическая энергия. При этом может измениться либо электронное состояние атома, либо колебательное или вращательное состояния молекулы. Неупругие столкновения возможны при наличии аномалий в изменении тока анода. Электроны, перешедшие на возбуждённые уровни в результате неупругого соударения, излучают фотоны 10. Ртутный тиратрон представляет собой трехэлектродную лампу, из которой выкачан воздух и внутрь введена капелька ртути. Оксидный подогреваемый катод находится внутри экранирующего цилиндра с круглым отверстием в верхней крышке. Сетка выполнена в виде полого цилиндра, ось которого перпендикулярна к эмитирующей поверхности катода. Анод в форме открытого снизу короткого цилиндра крепится в верхней части тиратрона на одной оси с сеткой и катодом. Такая конструкция электродов приводит к тому, что на вольтамперную характеристику тиратрона оказывают влияние не все неупругие столкновения электронов, а лишь те из них, которые приводят к ионизации атомов ртути. 11. Опыты Франка и Герца явились прямым подтверждением постулатов Бора,предположившего, что среди бесконечного множества электронных орбит атома,удовлетворяющих классическим уравнениям движения, раз-решены только те, для которых выполнено условие квантования момента количества движения. А именно, проекция момента на ось, перпендику-лярную плоскости орбиты, должна быть кратнойпостоянной Планка Вывод: выполнили измерение потенциала первого возбуждённого уровня атома и потенциала ионизации атома ртути, ответили на вопросы к лабороторной работе. |