 |
Экспериментальная часть
|
|
|
|
 |
Принципиальная схема установки, используемой для выполнения опыта Франка и Герца, приведена на рис. 1.
Рис.1 Схема установки опыта Франка и Герца
Трехэлектродная лампа заполнена газом газом (на имеющихся установках - гелием или неоном) 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 вольт-амперная 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 вольт-амперная 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 вольт-амперной характеристике появляется второе уменьшение анодного тока. Таким образом, при значениях ускоряющего напряжения 
на вольт-амперной характеристике будут наблюдаться n максимумов, расположенных друг от друга на расстоянии, равном первому потенциалу возбуждения атома.
 |
Рис.2. Вольтамперная характеристика опыта Франка и Герца
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 ускоказывается различной. Другая причина состоит в том, что для преодоления задерживающего поля между сеткой и анодом имеет значение только составляющая скорости электрона, направленная вдоль поля. 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.
|
|
|
Выполнение работы
Установка для выполнения опыта Франка и Герца представляет собой единый блок, внешний вид которого показан на рис.3.
Перед началом работы внимательно изучите измерительный стенд. На его панели расположены: трехэлектродная лампа, амперметр, показывающий ток накала катода лампы, микроамперметр для измерения анодного тока, вольтметр, измеряющий в зависимости от положения тумблера слева или U уск, или U зад, а также ручки регулировок тока и напряжений.
Перед включением тумблера « Сеть » все ручки регулировок тока и напряжений установите в нулевое положение, повернув их без лишних усилий против часовой стрелки до упора.
Рис 3. Передняя панель установки
Включив стенд, установите ток накала в диапазоне значений от 1,1 до 1,3 А. При этом нить накала лампы начинает светиться. Включив тумблер «U уск - U зад » в положение «U зад» установите величину задерживающего напряжения, которое фиксируется на табло вольтметра и рекомендуемое значение которого составляет (4 – 5) В. Это напряжение остается неизменным при последующем снятии зависимости анодного тока I a от ускоряющего напряжения U уск.
Переключив тумблер «U уск - U зад » в положение «U уск », снимите вольт-амперную характеристику, постепенно увеличивая ускоряющее напряжение и определяя его значения по показаниям вольтметра, а величину анодного тока по микроамперметру. Для более точного регулирования ускоряющего напряжения вблизи экстремальных точек следует пользоваться ручкой точной регулировки ускоряющего напряжения. Результаты измерений заносятся в таблицу.
Сняв одну вольт-амперную характеристику при некотором задерживающем напряжении, следует его изменить на несколько десятых вольта в одну и в другую сторону, повторив для каждого значения измерение вольт-амперной характеристики с целью получения более точных результатов при их последующем анализе.
По табличным данным постройте на миллиметровой бумаге вольт-амперные характеристики. Величина первого потенциала возбуждения атома определяется как разность значений ускоряющих напряжений, соответствующих двум последовательным максимумам. Полученные значения следует усреднить, используя три снятые вольт-амперные характеристики, и определить погрешность измерений.
|
|
|
Литература
1. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Астрель, АСТ. 2003 - Книга 5, § 3.4.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. - М.: ФИЗМАТЛИТ, МФТИ. 2003 - §14.
Содержание
Предисловие ……………………………………………………………………………………3
Лабораторная работа № 1. Тепловое излучение……………………………………………5
Лабораторная работа № 2. Определение теплоемкости металлов………………………..10
Лабораторная работа № 3. Изучение термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода…………………………………………………………………………………………..18
Лабораторная работа № 4. Эффект Холла в полупроводниках…………………………..24
Лабораторная работа № 5. Термоэлектрические явления………………………………...29
Лабораторная работа № 6. Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников………………………………………………………………………..38
Лабораторная работа № 7. Опыт Франка – Герца…………………………………………44
|
|
|
