1

Kamila Jaroszyńska

Wrocław, 05.12.2012 r.

Fizyka techniczna, IV rok
Środa, godz. 8:00

Pomiar potencjałów wzbudzenia

atomów rtęci

Prowadzący:

dr P. Mazur

dr S. Zuber

2

1. Wstęp teoretyczny:

Seria widmowa jest serią wąskich linii widma emisyjnego lub absorpcyjnego, które zawsze występują
razem i związane są ze sobą mechanizmem powstawania. Przykładowe serie widmowe:

 seria Lymana – seria K (n=1), w dalekim ultrafiolecie,
 seria Balmera – seria L (n=2), widmo widzialne,
 seria Paschena – seria M (n=3), w podczerwieni,
 seria Bracketta – seria N (n=4), w podczerwieni.

Model wektorowy atomu polega na tym że magnetyczne momenty orbitalne (l) i spinowe (s) są
traktowane jak wektory. Mają one określone wartości:

.

Wektory momentów nie posiadają kierunków w przestrzeni, jednak traktuje się je tak jakby posiadały,
co umożliwia ich dodawanie. Długość wektora wypadkowego można przedstawić:

, gdzie L=1+s, 1+s-1, …, |l-s|.

Termy widmowe stanowią miarę energii poziomu. Używa się notacji w postaci

(2S+1)

L

J

, np.

3

D

3

,

1

S

0

,

4

P

3/2

itd. Górny wskaźnik mówi o wartości 2S+1, centralna litera wskazuje na wartość L, przy czym te

dwie wartości mogą dodawać się, dając w wyniku wartość J (dolny wskaźnik), na tyle sposobów, ile
wskazuje liczba będąca górnym wskaźnikiem. Jedynie w przypadku, gdy S > L liczba stanów wynosi
2L+1. Np. stan

4

D ma cztery termy widmowe:

4

D

1/2

,

4

D

3/2

,

4

D

5/2

,

4

D

7/2

, podczas gdy stan

4

P ma tylko

trzy termy:

4

P

1/2

,

4

P

3/2

i

4

P

5/2

. Atomy o parzystej liczbie elektronów mają całkowite wartości S, zatem

tworzą stany singletowe, trypletowe itd., podczas gdy atomy o nieparzystej liczbie elektronów mają
połówkowe wartości S, tworzą zatem stany dubletowe, kwadrupletowe itd.
Diagram Grotriana przedstawia obrazowo degenerację poziomów energetycznych elektronu w
atomie.

Linia rezonansowa jest linią widmową o częstości równej częstości fali absorbowanej przez atomy
danego pierwiastka znajdujące się w stanie podstawowym.
Wyróżniamy dwa rodzaje zderzeń elektronów sprężyste i niesprężyste. Przy zderzeniach sprężystych
spełnione jest prawo zachowania pędu, jak i prawo zachowania energii mechanicznej. Całkowita
energia i pęd przed zderzeniem są równe całkowitej energii i pędowi po zderzeniu. W zderzeniach
niesprężystych cała lub część energii kinetycznej przechodzi w inną postać energii. W przypadku
niesprężystego zderzenia elektronu z atomem elektron przekazuje swoją energię jednemu z elektronów
powłoki atomowej przenosząc go do stanu wyższego (wzbudzenie atomu), albo usuwając go
całkowicie (jonizacja atomu).

3

Efekt Rausmauera

Przekrój czynny jest wielkością fizyczną stosowaną w statystycznym opisie zderzeń cząstek bądź
obiektów. Określa prawdopodobieństwo zajścia zderzenia, a zdefiniowana jest jako pole powierzchni,
mierzone na płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu pocisku, w które musi on trafiać aby doszło
do zderzenia.
Doświadczenie Francka – Hertza

W doświadczeniu Francka – Hertza pary takich pierwiastków jak sód lub rtęć zostają podane
bombardowaniu elektronami o znanej prędkości. W bańce szklanej lub kwarcowej wypełnionej parą
badanego pierwiastka znajduje się źródło elektronów w postaci żarzonej katody. Między katodą a
siatką przyłożone jest napięcie przyspieszające V, natomiast między siatką a anodą niewielkie napięcie
hamujące V’. Natężenie prądu elektronów dochodzących do anody mierzone jest galwanometrem.
Ciśnienie pary badanego pierwiastka oraz odległość między katodą, siatką i anodą są tak dobrane, że
średnia droga swobodna elektronów jest znacznie mniejsza niż odległość katoda – siatka i nieco
większa niż odległość siatka – anoda. W tym doświadczeniu mierzony jest prąd anodowy I jako
funkcja potencjału przyspieszającego V.

4

2. Przebieg doświadczenia:

Po włączeniu aparatury ustawiłam termometr na 65°C. Gdy temperatura ustabilizowała się
rozpoczęłam pomiary zależności natężenia prądu od napięcia przyspieszającego zmieniając
napięcie hamujące od 05 [V] do 2,5 [V]. Identyczne pomiary wykonałam jeszcze dla trzech
temperatur: 70°C, 80°C i 90°C.

3. Opracowanie wyników:

Wykreśliłam zmierzone charakterystyki, które dołączyłam na końcu sprawozdania.
Korzystając z wykresów wyznaczyłam wartości napięcia przypadające na trzy maksima,
którymi charakteryzuje się każda krzywa. Wszystkie dane umieściłam w tabelach poniżej.

Tabela dla 65°C:

U

ret

[V]

U

max1

[V]

U

max2

[V]

U

max3

[V]

ΔU

max 2-1

[V]

ΔU

max 3-1

[V]

0,5

4,60

9,35

14,50

4,75

9,90

1

4,55

9,55

14,95

5,00

10,40

1,5

4,60

9,45

15,15

4,85

10,55

2

4,70

9,30

13,60

4,60

8,90

2,5

4,85

9,05

13,55

4,20

8,70

Tabela dla 70°C:

U

ret

[V]

U

max1

[V]

U

max2

[V]

U

max3

[V]

ΔU

max 2-1

[V]

ΔU

max 3-1

[V]

0,5

4,45

9,40

14,95

4,95

10,50

1

4,45

9,60

15,20

5,15

10,75

1,5

4,55

9,60

15,20

5,05

10,65

2

4,60

9,40

13,75

4,80

9,15

2,5

4,75

9,30

13,60

4,55

8,85

Tabela dla 80°C:

U

ret

[V]

U

max1

[V]

U

max2

[V]

U

max3

[V]

ΔU

max 2-1

[V]

ΔU

max 3-1

[V]

0,5

4,30

9,45

15,35

5,15

11,05

1

4,35

9,45

15,30

5,10

10,95

1,5

4,40

9,50

15,15

5,10

10,75

2

4,50

9,50

15,25

5,00

10,75

2,5

4,55

9,35

˗

4,80

˗

Tabela dla 90°C:

U

ret

[V]

U

max1

[V]

U

max2

[V]

U

max3

[V]

ΔU

max 2-1

[V]

ΔU

max 3-1

[V]

0,5

4,25

9,45

15,55

5,20

11,30

1

4,30

9,50

15,55

5,20

11,25

1,5

4,30

9,50

15,50

5,20

11,20

2

4,40

9,45

15,50

5,05

11,10

2,5

4,50

9,50

˗

5,00

˗

5

4. Wnioski:

Celem mojego ćwiczenia był pomiar potencjałów wzbudzenia rtęci. Na podstawie danych
jakie uzyskałam mogę stwierdzić iż wynik doświadczenia jest poprawny. Przy wykonywaniu
ćwiczenia można zauważyć, że wraz ze wzrostem napięcia hamującego prąd anodowy
zmniejsza się. Jest to wynikiem spadku liczby elektronów mających energię potrzebną na
pokonanie bariery potencjałów. Spadek natężenia można również zauważyć przy wzroście
temperatury. Jest to spowodowane wzrostem ciśnienia, co prowadzi do zmniejszenia liczby
elektronów docierających do anody.
Na podstawie opracowanych przeze mnie wyników mogę stwierdzić, że średnia różnica
drugiego i pierwszego maksimum pomnożona przez wartość ładunku wynosi E = 4,94 [eV],
co jest bardzo zgodne z oczekiwaniami. Natomiast średnia różnica trzeciego i pierwszego
maksimum pomnożona przez wartość ładunku wynosi E = 10,44 [eV].

5. Literatura:

1. Z. Leś, „Wstęp do spektroskopii atomowej”,
2. W. Rubinowicz, „Kwantowa teoria atomu”,
3. H. A. Enge, M. R. Wehr, J. A. Richards, “Wstęp do fizyki atomowej”,
4. http://pl.wikipedia.org/wiki/Diagram_Grotriana
5. http://portalwiedzy.onet.pl/57336,,,,linia_rezonansowa,haslo.html
6. http://pl.wikipedia.org/wiki/Przekr%C3%B3j_czynny

6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

I [n

A

]

U [V]

Charakterystyka prądowo - napięciowa dla temperatury 65°C

Uret = 0,5 [V]

Uret = 1 [V]

Uret = 1,5 [V]

Uret = 2 [V]

Uret = 2,5 [V]

7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

I [n

A

]

U [V]

Charakterystyka prądowo - napięciowa dla temperatury 70°C

Uret = 0,5 [V]

Uret = 1 [V]

Uret = 1,5 [V]

Uret = 2 [V]

Uret = 2,5 [V]

8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

I [n

A

]

U [V]

Charakterystyka prądowo - napięciowa dla temperatury 80°C

Uret = 0,5 [V]

Uret = 1 [V]

Uret = 1,5 [V]

Uret = 2 [V]

Uret = 2,5 [V]

9

0

1

2

3

4

5

6

7

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

I [n

A

]

U [V]

Charakterystyka prądowo - napięciowa dla temperatury 90°C

Uret = 0,5 [V]

Uret = 1[V]

Uret = 1,5 [V]

Uret = 2 [V]

Uret = 2,5 [V]