Temat: Stany energetyczne w atomach. Doświadczenie Francka-Hertza.

Wstęp teoretyczny:

Wszystkie układy atomowe, cząsteczkowe i jądrowe maja. dyskretne poziomy energetyczne. Odnosi się to również do układów makroskopowych, z tym jednak, że ich poziomy energetyczne są położone tak blisko siebie, że doświadczalnie nie możemy ich rozróżnić. Poziomy te możemy przedstawić graficznie, jak to zostało zrobione na rysunku. Liczby kwantowe umieszczone są z lewej strony, natomiast odpowiadające im energie wyrażone w elektronowoltach z prawej strony rysunku, Strzałki oznaczające przejścia łączą poziomy o większej (mniej ujemnej) energii z poziomami o mniejszej (bardziej ujem­nej) energii. W normalnym, niewzbudzonym atomie wodoru elektron znajduje się w naj­niższym stanie energetycznym o n =1. Jest to stan podstawowy, w którym elektron prze­bywa stale nie emitując i nie absorbując energii. Wzbudzenie elektronu, czyli zaabsorbo­wanie przez niego energii może nastąpić wówczas, jeśli zostanie mu ona •w odpowiedniej formie dostarczona, Jeśli w gazowym wodorze zachodzi wyładowanie elektryczne, atom może ulec zderzeniu'* ze swobodnym elektronem przy spieszonym w polu elektrycznym. Przy ogrzewaniu wodoru elektron może zostać wzbudzony w zderzeniu kosztem energii ruchu cieplnego. Przy oświetleniu atomu może nastąpić absorpcja energii Fotonu. Załóżmy, że elektron w atomie wodoru zaabsorbuje około 20 eV energii w jakikolwiek z wymienio­nych sposobów. Jest to wystarczająca ilość energii na to, aby elektron przenieść do stanu n = ∞ (13,6 eV) i aby pozostała jeszcze nadwyżka energii równa 6,4 eV. W takim przypadku elektron zostaje uwolniony od jądra, a energia 6,4 eV zamieniona jest na jego energię .etyczną. Przy absorpcji energii równej dokładnie 13,6 eV elektron zostaje również zwolniony, ale jego energia kinetyczna jest równa tylko energii termicznej. W obu przypadkach pozostające jądro staje się jonem. Jeśli energia elektronu, z którym następuje zderzenie jest mniejsza niż energia potrzebna do jonizacji, ale równa lub większa niż energia potrzebna do przeniesienia elektronu w atomie, do jednego z dozwolonych stanów energetycznych, wówczas elektron absorbuje odpowiednią ilość energii i przechodzi do wyższego stanu energetycznego. Ewentualny nadmiar energii unosi z sobą w postaci energii kinetycznej elektron, który w wyniku zderzenia przekazał atomowi energię wykorzystaną na jego zbudzenie. Energia wzbudzenia każdego poziomu wyrażona w elektronowoltach jest licz­bowo równa potencjałowi wzbudzenia tego poziomu wyrażonemu w woltach. Po wzbudzeniu elektron w atomie powraca do stanu podstawowego. Jeśli był on wzbu­dzony do stanu o n == 4 może nastąpić bezpośrednie przejście do stanu o n = l, ale może też nastąpić przejście przez stany pośrednie.

Doświadczenie polega na pomiarze prądu płynącego przez elektrodę zbierającą w funkcji różnicy potencjałów V pomiędzy anodą i katodą.

W granicach od V = 0 do V = 0,5 V prąd nie płynie, ponieważ energia atomów docierających do anody jest mniejsza niż 0,5 eV. Dla V > 0.5 V pojawia się przepływ prądu i jego natężenie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia, gdyż mamy coraz więcej elektronów o energii przynajmniej równej granicznej wartości 0,5 eV. Kiedy V osiąga wartość 4,9 V odpowiadającą rezonansowemu potencjałowi gazu, prąd zaczyna maleć ponieważ bombardujące elektrony w wyniku sprężystych zderzeń z elektronami atomami gazu zmniejszyły swoją prędkość. Dalszy wzrost prądu wraz ze wzrostem napięcia związany jest z faktem, że przy większym natężeniu pola zderzenie niesprężyste może zajść wcześniej i bombardujący elektron może zostać po zderzeniu przyspieszony ponownie na tyle aby pokonać barierę potencjału 0,5 V.

Drugie minimum krzywej nie jest związane z innym przejściem energetycznym jako że bardzo niewiele elektronów uzyskuje energię wystarczającą do wzbudzenia nastęr przejścia. Minimum to odpowiada podwójnej wartości potencjału rezonansowego wynikiem zajścia dwóch nieelastycznych zderzeń z tymi samymi elektronami bombardującymi. Każde kolejne maksimum krzywej oznacza większą liczbę zderzeń, a ich położenie odpowiadają całkowitym wielokrotnościom potencjału rezonansowego. W przypadku rtęci kolejne maksima odległe są od siebie o 4,9 V.

Franek i Hertz badali również promieniowanie wysyłane przez pary rtęci poć zderzeniom z elektronami i zaobserwowali charakterystyczną dla rtęci linię o λ=253,7 nm. Odpowiadającą tej długości fali energię fotonu można wyznaczyć z równania:

Promieniowanie pochodzące od par rtęci obserwowano tylko wtedy, kiedy napięci anodą i katodą było większe niż 4,9 V. Poziom energetyczny rtęci o energii 4,9 eV zostać wzbudzony na drodze wielokrotnego zderzenia z elektronami o mniejszych energiach; może on być osiągnięty jedynie w pojedynczym akcie zderzenia. Fakt, że atom rtęci nie może mieć pośrednich wartości energii, jest znakomitym potwierdzeniem układu dyskretnych poziomów w modelu Bohra.

Wyniki pomiarów:

		T1=45^oC		T2=50^oC		T3=55^oC
		IŻ =0,98 [A]	IŻ=1 [A]	IŻ =0,98 [A	IŻ=1 [A]	IŻ =0,98 [A	IŻ=1 [A]
l.p.	Us [V]	I a [nA]	Ia [nA]	Ia [nA]	Ia [nA]	Ia [nA]	Ia [nA]
1	0	0	0	0	0	0	0
2	0,5	1	1	1	0,5	2	1
3	1	10	11	8	8	5	5
4	1,5	32	42	20	25	14	18
5	2	67	85	43	61	33	44
6	2,5	102	130	73	102	59	78
7	3	137	174	100	141	86	110
8	3,5	160	205	125	175	104	146
9	4	178	220	141	204	128	172
10	4,5	169	225	142	211	136	184
11	5	156	235	146	199	125	170
12	5,5	140	220	131	174	105	149
13	6	136	200	119	169	103	142
14	6,5	140	191	115	169	103	149
15	7	158	202	129	173	119	160
16	7,5	163	219	142	207	138	185
17	8	167	227	142	220	150	205
18	8,5	168	229	153	228	157	215
19	9	169	230	158	232	161	221
20	9,5	162	232	161	234	164	225
21	10	162	231	156	232	163	222
22	10,5	159	225	150	225	157	215
23	11	159	220	152	220	155	208
24	11,5	156	218	151	218	152	207
25	12	154	217	149	215	150	207
26	12,5	153	217	149	214	149	200
27	13	156	220	151	220	153	211
28	13,5	167	255	163	229	163	227
29	14	169	239	167	229	161	229
30	14,5	171	240	169	236	167	232
31	15	172	241	170	240	171	234
32	15,5	173	245	170	241	172	235
33	16	174	245	169	243	173	235
34	16,5	170	246	169	245	173	234
35	17	173	248	169	245	172	234

Parametry ćwiczenia:

I_Ż1 = 0,98 [A] I_Ż2 = 1 [A]

T₁ = 45^oC T₂ = 50^oC T₃ = 55^oC

U = 0 - 17 [V]

Ustalone, niepewności odczytu z mierników, poszczególnych wartości:

• T = 0,8

• I_a = 0,045

• I_Ż = 0,015

• U = 0,6

Obliczenia:

l.p.		[nm]
1	4,5
2	4,4
3	8,1

• 
  

• 
  

• 
  

błąd:

3

---