I Pracownia Fizyczna – Fizyczne Laboratorium Mikrokomputerowe FiLaMi Wydział Fizyki UAM Energia jonizacji atomów rtęci.

Pomiar energii jonizacji atomów rtęci. Celem ćwiczenia jest pomiar energii jonizacji atomów rtęci. Wielkością mierzoną jest wartość prądu jonowego (jony rtęci) płynącego w obwodzie anody lampy elektronowej w funkcji napięcia przyśpieszającego elektrony. Zagadnienia: ruch ładunku w polu elektrycznym, pole zachowawcze, stany elektronowe atomu, absorpcja i emisja promieniowania, teoria kinetyczna gazów. Przyrządy: lampa rtęciowa z zasilaczem i panelem sterującym, komputer ze zintegrowaną kartą kontrolno-pomiarową i oprogramowaniem, piecyk z kontrolerem temperatury. Wprowadzenie

+ + Rż Ż

Rys. 1. Schemat połączeń w lampie rtęciowej.

Zastosowano lampę elektronową z dwiema siatkami: S1 przy katodzie i S2 przy anodzie, identyczną jak w doświadczeniu Francka-Hertza. O ile rola siatki S1 ogranicza się w zasadzie do poprawy jednorodności pola elektrycznego przyspieszającego elektrony, o tyle siatka S2 pełni zasadniczą rolę w tym doświadczeniu. Jej potencjał S2 jest dodatni zarówno względem S1 jak i anody, przy czym, w odróżnieniu od sytuacji w doświadczeniu Francka-Hertza, potencjał S2 – anoda jest większy niż potencjał przyspieszający, a więc wszystkie elektrony są zawracane do siatki S2 i elektronowy prąd anodowy praktycznie nie płynie Napięcie pomiędzy siatkami przyspiesza elektrony do znacznych prędkości. Napełnienie bańki gazem spowoduje możliwość oddziaływania elektronów z jego atomami. Jeśli stężenie gazu jest bardzo duże, elektrony nieustannie zderzają się z jego atomami, powodując wzrost temperatury gazu, a natężenie prądu płynącego przez lampę jest małe. Obniżenie stężenia (ciśnienia) gazu powoduje wydłużenie drogi swobodnej elektronów i wzrost natężenia prądu anodowego. Elektrony rozpędzone pomiędzy siatkami w pewnym stopniu penetrują przestrzeń pomiędzy siatką S2 i anodą, oddziaływując ze znajdującymi się tam atomami rtęci. Jeśli napięcie przyspieszające osiągnie wartość Ug taką, że iloczyn Uge zrówna się z energią jonizacji atomów rtęci, to zaobserwujemy pojawianie się w lampie dodatnich jonów rtęci. Zjawisko to najczęściej będzie zachodzić w okolicy siatki S2, gdzie elektrony mają największą prędkość. Te jony rtęci, które powstaną w obszarze pomiędzy siatką S2, a anodą zostaną przyciągnięte przez ujemny potencjał anody i przyczynią się do przepływu prądu

15 V max

R

K3

RS2

S2 -

S1 Ż+K

A

RA

K4

P3

5V+ -

6V 6V - +

P2 P1

- 1 -

I Pracownia Fizyczna – Fizyczne Laboratorium Mikrokomputerowe FiLaMi Wydział Fizyki UAM Energia jonizacji atomów rtęci.

anodowego o kierunku przeciwnym do tego, jaki płynął w doświadczeniu Francka-Hertza (prąd elektronowy). Przy interpretacji wyników (położenie załamania na wykresie I(U)) należy zwrócić uwagę na to, że energia elektronów w okolicy siatki S2 zależy też w pewnym stopniu od napięcia pomiędzy katodą a siatką S1 (elektrony wnikając w obszar pomiędzy siatkami mogą już mieć pewną energię lub też dodatkowa energia jest potrzebna, by je w ten obszar wciągnąć). Należy na koniec przypomnieć, że doświadczenie to, zrealizowane przez Jamesa Francka i Gustawa Hertza w 1914 r., miało na celu właśnie sprawdzenie hipotezy Bohra o kwantowym charakterze zjawisk absorpcji i emisji energii przez atomy. Zostało bardzo przemyślnie zaprojektowane w taki sposób, by pomimo niewidzialnej emisji atomów rtęci, której pary stanowiły ośrodek oddziałujący z elektronami w lampie, uzyskać jednoznaczny dowód na dyskretny charakter zjawiska absorpcji energii przez atomy. Franck i Hertz otrzymali za nie nagrodę Nobla w 1925 r. Stanowisko ćwiczeniowe.

zasilacz

Kontroler temperatury

panel sterujący

Rys. 2. Widok ogólny stanowiska (bez komputera).

Rys. 3. Piecyk z lampą w środku. Rys. 4. Lampa rtęciowa. W prawym dolnym rogu

widoczna kropla rtęci.

- 2 -

I Pracownia Fizyczna – Fizyczne Laboratorium Mikrokomputerowe FiLaMi Wydział Fizyki UAM Energia jonizacji atomów rtęci.

Przebieg ćwiczenia. W naszym zestawie ćwiczeniowym napięcie przyspieszające o maksymalnej wartości ok. 15 V podawane jest poprzez układ RC o stałej czasowej rzędu 100 s. Dzięki powolnemu narastaniu tego napięcia w lampie, można łatwo śledzić zmiany zachodzące w wartości prądu anodowego mierzonego jako spadek napięcia na oporniku włączonym szeregowo w obwód anody. Ewentualne zmiany w przebiegu ćwiczenia wynikające z jego modyfikacji zawsze będą opisane w części informacyjnej programu (zakładka „Informacje”).

Podłącz sygnał pomiarowy napięcia przyspieszającego do wejścia ACH0, a prądu elektronowego do wejścia ACH8 panelu karty pomiarowej. Upewnij się, że wejście AISENSE zwarte jest z masą (GND).

Kontroler temperatury nastaw na ok. 70°C (343 K) i włącz zasilanie grzałki (prawe skrajne pokrętło na pozycję 300). Upewnij się, że pokrętło P1 (żarzenie) skręcone jest na minimum. Włącz zasilacz nie zmieniając żadnej z jego nastaw. Panel sterujący lampy przełącz w tryb "Jon" (wciśnięty niebieski przycisk). Upewnij się, że jest wyciśnięty przycisk czerwony "US2" podający napięcie przyspieszające. Na zasilaczu pod wskaźnikiem wciśnij przycisk IB i pokrętłem P1 na panelu sterującym doprowadź wskazanie do 0,75. Co ok. minutę koryguj to ustawienie do osiągnięcia stabilnej wartości. Poczekaj do uzyskania zadanej temperatury.

Na stronie "Pomiar" niniejszego programu są trzy okna z wykresami U(t), I(t) oraz I(U). Przycisk "Start" włącza proces rejestracji (usuwając poprzedni pomiar). Przycisk "Stop" zatrzymuje proces rejestracji. Przy wciąż wyciśniętym czerwonym przycisku na panelu sterującym lampy uruchom pomiar i pokrętłem "Zerowanie" na bocznej ściance panelu sterującego doprowadź wskazania wartości prądu anodowego do zera. Zatrzymaj pomiar i uruchom ponownie, tym razem synchronizując to z wciśnięciem czerwonego przycisku na panelu sterującym lampy. Obserwuj wskazania wartości prądu z narastającym napięciem przyspieszającym. Gdy napięcie przyspieszające osiągnie maksymalną wartość, pokrętłem P2 doprowadź ją do ok. 13 V (poczekaj kilka sekund na reakcję lampy). Pokrętło P3 powinno być ustawiona na ok. 2 V. Prąd anodowy w tych warunkach powinien osiągnąć natężenie ok. -0,2 nA. Po tych regulacjach wyciśnij ponownie czerwony przycisk i wyzeruj wartość prądu (pokrętło "Zerowanie"). Uruchom nowy pomiar i zarejestruj go.

Na stronie "Analiza" programu widoczny jest wykres ostatnio zmierzonych danych I(U). Kursory umożliwiają odczyt wartości napięcia, dla którego rozpoczyna się wzrost prądu anodowego. Ponadto dwa pokrętła pozwalają dopasować prostą do liniowych części zależności I(U).

Dostępne z menu kontekstowego (prawy klawisz myszy) opcje "Copy Data" oraz "Export Simplified Image" pozwalają skopiować zawartość wykresów do schowka systemu Windows. Można wykorzystać je w protokołach. Na pulpicie komputera znajdziesz program IrfanView, który można wykorzystać do prostej obróbki obrazów bitmapowych, np. wyglądu okna programu uzyskanego przez naciśnięcie klawisza Alt-PrintScreen. Zapis w formacie GIF lub PNG pozwoli zmieścić obrazy nawet na dyskietce. Uwagi końcowe

W protokole, oprócz wyniku podstawowego w postaci wykresu zależności I(U) oraz zapisu obserwacji świecenia lampy, powinny znaleźć się odpowiedzi na następujące pytania:

1. Jaka jest optymalna (dla wyrazistości badanego zjawiska) wartość drogi swobodnej elektronu? Jak dobrać ciśnienie gazu?

2. Dlaczego minima w zależności I(U) występują w regularnych odstępach? Dla czterech pierwszych obszarów wzbudzeń oblicz prędkości tych elektronów, które dotarły do tych miejsc bez utraty energii. Jaką prędkość miały te, które doprowadziły do wzbudzenia?

- 3 -

I Pracownia Fizyczna – Fizyczne Laboratorium Mikrokomputerowe FiLaMi Wydział Fizyki UAM Energia jonizacji atomów rtęci.

3. Jaka jest wartość energii wzbudzenia atomu rtęci? Jakiej długości fali to odpowiada? 4. Co wyznacza szerokość minimów? Dlaczego maleje względna głębokość kolejnych

minimów? 5. Jaka jest prędkość elektronów, przy której następuje wzbudzenie atomów rtęci? Masa

elektronu to 9,110-31 kg, a jego ładunek to 1.610-19 C. 6. Oszacuj zasadność założenia o słabej wymianie energii kinetycznej pomiędzy

elektronami i atomami rtęci. Oblicz prędkość jaką uszyska nieruchomy atom rtęci przy centralnym zderzeniu z elektronem rozpędzonym do prędkości obliczonej w zadaniu 5. Stosunek mas atomu rtęci i elektronu wynosi ok. 400 000. Skorzystaj z zasady zachowania pędu i energii.

Rys. 5. Przykładowe dane uzyskane w doświadczeniu z lampą rtęciową.

- 4 -