Wydział: FTiMK	Imię i Nazwisko: Marcin Wiśniowski	Nr. Zespołu 5	Ocena Ostateczna
Grupa: Druga	Tytuł ćwiczenia: Doświadczenie Francka–Hertza	Nr. Ćwiczenia 34	Data Wykonania: 29.11.2002

1. Wprowadzenie

Doświadczenie Francka-Hertza, wykonane w 1914 roku, stanowiło potwierdzenie jednego z postulatów Bohra, który mówił, że atomy mogą emitować lub pochłaniać energię tylko w określonych porcjach, zwanych kwantami energii. Doświadczenie to polega na bombardowaniu atomów rtęci lub neonu elektronami. Przy energii elektronów mniejszej od określonej wartości, zderzenia są sprężyste, czyli zachodzą bez straty energii kinetycznej. Natomiast w przypadku, gdy energia elektronu osiąga wartość energii wzbudzenia, zderzenia mogą być niesprężyste. Atom rtęci lub neonu pochłania wówczas energię elektronu i wykorzystuje ją do przejścia w pierwszy dostępny stan wzbudzony.

W obserwacji tego zjawiska posługujemy się lampą Francka-Hertza. W zamkniętej bańce szklanej wypełnionej parami rtęci lub neonem znajdują się: żarzona katoda, anoda oraz dwie siatki. Elektrony wylatujące z katody przyspieszane są wstępnie niewielką różnicą potencjałów między katodą i siatką. Następnie elektrony przyspieszane są w obszarze między siatkami za pomocą regulowanego napięcia. W obszarze tym elektrony ulegają wielokrotnym zderzeniom z atomami rtęci (neonu). Jeżeli energia elektronu jest mniejsza od energii wzbudzenia atomu rtęci (neonu), to zderzenia są sprężyste i elektrony prawie nie tracą energii kinetycznej z uwagi na wielokrotną przewagę masy atomu rtęci (neonu) nad masą elektronu.

Jeżeli energia elektronów przekracza wartość energii wzbudzenia, pojawiają się zderzenia niesprężyste, powodujące wzbudzenia atomów rtęci (neonu). Elektrony biorące udział w tych zderzeniach zostają pozbawione energii kinetycznej i nie mają możliwości dojścia do anody z uwagi na obecne pomiędzy siatką i anodą pole hamujące.

Wzbudzeniu atomów rtęci (neonu) na pierwszy poziom wzbudzenia towarzyszy emisja promieniowania związanego z powrotem atomów wzbudzonych do stanu podstawowego. Odpowiadająca temu przejściu fala elektromagnetyczna ma w przypadku rtęci długość λ=253,7 nm, czyli leży w ultrafiolecie i dlatego nie może być bezpośrednio obserwowana. Dla neonu powrót atomów do stanu podstawowego przebiega w dwóch etapach i w pierwszym z nich można zaobserwować emisję światła o zabarwieniu czerwonym.

2. Tabele Pomiarowe

IA [nA]	U2 [V]
48	10,2
40	10,5
36	11,0
39	11,5
50	12,0
62	12,5
84	13,0
105	13,5
104	14,0
89	14,5
67	15,0
54	15,5
52	16,0
61	16,5
80	17,0
107	17,5
138	18,0
160	18,5
152	19,0
120	19,5
94	20,0
78	20,5
79	21,0
97	21,5
120	22,0
154	22,5
188	23,0
211	23,5
195	24,0
160	24,5
130	25,0
111	25,5
110	26,0
126	26,5
144	27,0
189	27,5
243	28,0
275	28,5
241	29,0
223	29,5
360	30,0

Z otrzymanych wyników sporządzam wykres zależności prądu anodowego I_A od napięcia U₂.

Przy końcowych wartościach podczas przeprowadzania ćwiczenia nastąpiła nie oczekiwana awaria urządzenia, której wynikiem był nagły wzrost prądu anodowego, a następnie wartości prądu były bardzo małe. Z uwagi na tą awarie ćwiczenie zostało przerwane przy U₂ = 30 [V]. Krzywa wykazuje charakter rosnący, co jest spowodowane coraz bardziej uporządkowanym ruchem elektronów w lampie przy wzrastającym napięciu między siatkami.

Odczytując z wykresu odległości między kolejnymi maksimami można określić energię wzbudzenia atomów rtęci.

Nr minimum	U2 [V]	IA [nA]	Odległość miedzy mimimami Ei
1	11,0	36,0	–
2	16,0	52,0	5,0
3	20,8	77,9	4,8
4	25,7	109,8	4,9

Niepewności pomiarowe które wystąpiły podczas wykonywania tego ćwiczenia wynikają bezpośrednio z niedokładności pomiaru:

U₂ = 0,05 [V]

I_A = 0,5 [nA]

Niepewność odczytu energii oszacuje stosując metodę Studenta–Fishera dla odchylenia standardowego.

[eV]

Liczę odchylenie standartowe średniej arytmetycznej:

współczynnik Studenta–Fishera przyjmuje dla ufności 0,7oraz 5 pomiarów. Odczytując z tabeli moje _n wynosi 1,16

Ostatecznie energia wzbudzenie atomu rtęci to:

Wynik ten jest równy z dokładnością 0,002[eV] do wartości tablicowej która wynosi 4,9 [eV].

5