лаб.6.3. Лабораторная работа 3 определение потенциала ионизации аргона
 Скачать 0.8 Mb.
|
|
Федеральное агентство связи ФГБОУ ВО «СибГУТИ» Кафедра физики Лабораторная работа 6.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ИОНИЗАЦИИ АРГОНА Выполнил студент группы: ЗП-201 Козеева Елизавета Алексеевна Номер зачетки: 73200071 Проверил преподаватель: Гулидов А.И Измерения сняты______________ Отчет принят_________________ Работа зачтена ________________ Новосибирск 2021 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ИОНИЗАЦИИ АРГОНА Цель работы Определить потенциал ионизации атомов аргона. Краткая теория Согласно современным теоретическим представлениям атомные системы могут находиться только в некоторых определенных состояниях, называемых стационарными. Каждому стационарному состоянию соответствует свое фиксированное значение энергии. Спектр допустимых значений энергий атомов является дискретным. Состояние с наименьшим допустимым значением энергии атома называется основным состоянием. Часто при взаимодействиях атома с внешними системами изменяется состояние только валентного (внешнего) электрона. Поэтому в данной работе мы будем считать, что энергия атома эквивалентна энергии валентного электрона, а состояние атома и состояние валентного электрона будем считать синонимами. Значения энергии разрешенного состояния называют энергетическими уровнями. На энергетических диаграммах энергетические уровни обозначают черточками. Если атом находится в основном состоянии, то все энергетические уровни, расположенные ниже энергетического уровня валентного электрона, заняты электронами, а все вышележащие уровни – свободны, смотри рисунок 3.1(а). В случае внешних воздействий атом, т.е., как правило, один из его валентных электронов может получить дополнительную энергию W и перейти в какое- либо из разрешенных состояний с большей энергией, рисунок 3.1(б). Такое 0 0 t s r q p n m l k W W t, m W h t,q h q,m a) b) Рисунок 3.1 – Энергетическая диаграмма атома и некоторые возможные переходы состояние атома называется возбужденным. В возбужденном состоянии атом долго находиться не может. Очень быстро он спонтанно (самопроизвольно) возвращается непосредственно в основное состояние или переходит в одно из возбужденных состояний с меньшей энергией, например с уровня t на уровень m на рисунке 3.1(б). Переход атомной системы из состояния с большей энергией k W в состояние с меньшей энергией n W сопровождается выделением энергии n k W W W , (1) которая излучается в виде кванта электромагнитного излучения h , так что: n k W W h (2). Соотношение (2) называется правилом частот. Энергию возбуждения часто характеризуют потенциалом возбуждения. При этом под потенциалом возбуждения понимают ту разность потенциалов, которую должен пройти свободный электрон, чтобы приобрести энергию, равную данной энергии возбуждения. Если подведенная извне энергия превысит модуль энергии основного состояния валентного электрона, то валентный электрон, получив эту энергию, выйдет за пределы атома и станет свободным. Такой процесс называется ионизацией атома. В результате ионизации, нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион и, кроме того, появляется свободный электрон. Минимальная энергия, при которой возникает ионизация атомов, называется энергией ионизации i W . Энергия ионизации атомов зависит от структуры атомов и характеризуется потенциалом ионизации. Потенциал ионизации равен той разности потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию, равную энергии ионизации атома. Описание установки Установка, рисунок 3.2, состоит из тиратрона (1), гальванометра (3), включенного в анодную цепь тиратрона, источника (5) ускоряющего поля, вольтметра (6), измеряющего ускоряющее напряжение, и источника (8) накала катода (9) тиратрона. Тиратрон представляет собой стеклянный баллон (1), заполненный аргоном с малым давлением. В баллон помещены три электрода: катод (9) подогревного типа, сетка (7) и анод (2). Под действием напряжения накала нить накала и катод разогреваются. Возникает явление термоэлектронной эмиссии. Вследствие термоэлектронной эмиссии, вокруг разогретого катода образуется электронное облако. К катоду и сетке подведено ускоряющее напряжение. Под действием ускоряющего поля электроны, эмитируемые катодом, ускоряются, проходят сквозь ячейки сетки, далее попадают на анод (2) и регистрируются гальванометром (3) в виде анодного тока, рисунок 3.3. Увеличение ускоряющего напряжения сопровождается возрастанием анодного тока, участок b a на рисунок 3.3. pV R1 R2 R3 pA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Рисунок 3.2 – Принципиальная схема установки U u i c b a 0 I a c Рисунок 3.3 – Общий вид вольтамперной характеристики тиратрона При прохождении участка катод-сетка, электроны приобретают энергию eU W (3). Если окажется, что i W W , (4) то катодные электроны, сталкиваясь с атомами аргона в области за сеткой, ионизируют атомы аргона. Ионизация атомов аргона сопровождается увеличением концентрации свободных электронов, создающих анодный ток, и, кроме того, образующиеся из атомов аргона положительные ионы уменьшают величину пространственного заряда у катода. Вследствие этого, крутизна возрастания анодного тока резко увеличивается, участок c b на рисунке 3.3. Напряжение излома вольтамперной характеристики тиратрона, рисунок 3.3, дает нам потенциал ионизации атомов аргона. Выполнение работы: Задания: Таблица 1 U, B 2 4 6 8 10 12 14 14,2 I, мА 0,05 0,2 0,35 0,5 0,6 0,7 0,85 0,9 14,4 14,6 14,8 15 15,2 15,4 15,6 15,8 16 0,95 1 1 1 1,05 1,1 1,1 1,3 2,5 16,2 16,4 16,6 16,8 17 2,9 3,4 3,8 4,2 4,5 График зависимости I(U) Потенциал ионизации аргона U i =15.7, В Вывод: В данной лабораторной мы зафиксировали зависимость I(U) в таблице 1 и начертили график зависимости. Определили потенциал ионизации аргона U i =15.7, В Контрольные вопросы: 1.Объясните в общих чертах строение атомов? Сам атом является электронейтральной частицей, состоит из ядра и электронного облака. Ядро атома состоит из нескольких протонов и нейтронов. Они удерживаются в ядре за счет сильного взаимодействия. Вокруг ядра атома, по орбитам вращаются электроны. Ядро занимает ничтожную часть объема атома, при этом в ядре сосредоточена почти вся масса атома. 2. Какие состояния называются стационарными? Стационарным состоянием называется состояние квантовой системы, при котором ее энергия и другие динамические величины, характеризующие квантовое состояние, не изменяются со временем. 3. Что называют возбуждением атомов и ионизацией атомов? Возбуждённое состояние атома – состояние, в котором атом находится довольно короткий срок времени, и после атом либо возвращается в стационарное состояние, либо переходит в одно из возбуждённых состояний с меньшей энергией. Ионизация атома – процесс, при котором валентный электрон проходит разность потенциалов, которая превышает модуль энергии валентного электрона. Получив эту энергию, электрон становится свободным. В итоге, нейтральный атом превращается в положительно заряженный электрон, а также появляется свободный электрон. Минимальная энергия, при которой возникает ионизация атомов, называется энергией ионизации W i . Энергия ионизации атомов зависит от структуры атомов и характеризуется потенциалом ионизации. 4. Что называют потенциалом ионизации атомов? Потенциал ионизации атома - минимальная разность потенциалов U, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома. 5. Что понимают под энергетическими уровнями атомов? Энергетические уровни - это те значения энергии, которые может принимать электрон в атоме. Если атому водорода сообщить энергию, то его электрон примет значение энергии отличное от значения энергии первого уровня, условно выражаясь, в этом случае электрон первого энергетического уровня атома водорода "перескочит" на второй уровень и т.д., пока от атома не "оторвется" и атом не превратится в ион. 6. Поясните схему и принцип действия установки? Установка, рисунок 3.2, состоит из тиратрона (1), гальванометра (3), включенного в анодную цепь тиратрона, источника (5) ускоряющего поля, вольтметра (6), измеряющего ускоряющее напряжение, и источника (8) накала катода (9) тиратрона. Тиратрон представляет собой стеклянный баллон (1), заполненный аргоном с малым давлением. В баллон помещены три электрода: катод (9) подогревного типа, сетка (7) и анод (2). Под действием напряжения накала нить накала и катод разогреваются. Возникает явление термоэлектронной эмиссии. Вследствие термоэлектронной эмиссии, вокруг разогретого катода образуется электронное облако. К катоду и сетке подведено ускоряющее напряжение. Под действием ускоряющего поля электроны, эмитируемые катодом, ускоряются, проходят сквозь ячейки сетки, pV R1 R2 R3 pA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Рисунок 3.2 – Принципиальная схема установки далее попадают на анод (2) и регистрируются гальванометром (3) в виде анодного тока. 7. Почему крутизна вольтамперной характеристики резко увеличивается, когда ускоряющее напряжение превышает потенциал ионизации атомов? Катод, сетка и анод расположены в тиратроне таким образом, что практически все электроны, в том числе испытавшие упругие и неупругие столкновения с атомами аргона, попадают на сетку. На анод летит совсем немного электронов, вследствие чего ток в анодной цепи очень мал. Такая ситуация будет сохраняться до тех пор, пока ускоряющее напряжение меньше потенциала ионизации атома аргона. Но как только превысит потенциал ионизации, в пространстве между катодом и сеткой появятся положительные ионы, которые частично скомпенсируют объёмный отрицательный заряд электронного облака. Вследствие этого электронный ток на сетку резко возрастет, увеличится также и доля тока, поступающего на анод. |