Politechnika Krakowska Fizyka Techniczna II Rok	Marcin Bernady	Rok akad.: 1999/2000		Data: 30.11.1999
Grupa 2 Zespół 3		Nr ćwicz.: 53	Ocena:		Podpis:

Doświadczenie Francka - Hertza

Doświadczenie Francka-Hertza jest potwierdzeniem faktu, że atomy mogą emitować lub pochłaniać energię tylko w określonych porcjach, zwanych kwantami energii.

Doświadczenie to polega na bombardowaniu atomów rtęci elektronami. Przy energii elektronów mniejszej od określonej wartości, zderzenia są sprężyste, czyli zachodzą bez straty energii kinetycznej. Natomiast w przypadku, gdy energia elektronu wynosi ok. 4,9 eV, zderzenia mogą być niesprężyste. Atom rtęci pochłania wówczas energię elektronu i wykorzystuje ją do przejścia w pierwszy dostępny stan wzbudzony.

Do obserwacji tego zjawiska posługujemy się lampą Francka-Hertza. W zamkniętej bańce szklanej wypełnionej parami rtęci znajduje się: żarzona katoda K, anoda A oraz dwie siatki: S₁ i S₂. Elektrony wylatujące z katody K przyspieszane są wstępnie niewielką różnicą potencjałów U₁ między katodą i siatką S₁. Następnie elektrony przyspieszane są w obszarze między siatkami S₁ i S₂ za pomocą regulowanego napięcia U₂. W obszarze tym elektrony ulegają wielokrotnym zderzeniom z atomami rtęci. Jeżeli energia elektronu jest mniejsza od energii wzbudzenia atomu rtęci wynoszącej 4,9 eV, to zderzenia są sprężyste i elektrony prawie nie tracą energii kinetycznej z uwagi na wielokrotną przewagę masy atomu rtęci nad masą elektronu.

Wraz ze wzrostem napięcia U₂ między siatkami S₁ i S₂, obserwuje się początkowo wzrost prądu anodowego, gdyż coraz większa liczba elektronów dociera do anody pokonując małe napięcie hamujące, które przykładamy między siatkę S₂ i anodę A.

Jeżeli energia elektronów przekracza wartość 4,9 eV, pojawiają się zderzenia niesprężyste, powodujące wzbudzenia atomów rtęci. Elektrony biorące udział w tych zderzeniach zostają pozbawione energii kinetycznej i nie mają możliwości dojścia do anody z uwagi na obecne pomiędzy siatką S₂ i anodą A pole hamujące.

Pojawienie się zderzeń niesprężystych powoduje początkowo zahamowanie wzrostu prądu anody ze wzrostem napięcia U₂ a następnie, przy dalszym wzroście napięcia, prąd anodowy maleje. Jeżeli dalej będziemy zwiększać napięcie U₂, to prąd anodowy, po osiągnięciu pewnej wartości minimalnej zaczyna rosnąć, co jest związane z tym, że coraz większa liczba elektronów może po ponownym przyspieszeniu pokonać napięcie hamujące. Następne załamanie krzywej prądu anodowego odpowiada ponownemu osiągnięciu przez elektrony energii 4,9 eV. Przy dalszym wzroście napięcia U₂ mogą być obserwowane dalsze zderzenia niesprężyste, czyli dalsze załamania prądu anodowego. Krzywa zależności prądu anodowego od napięcia między siatkami dodatkowo wykazuje charakter rosnący, co spowodowane jest coraz bardziej uporządkowanym ruchem elektronów w lampie przy wzrastającym napięciu między siatkami. Dzięki temu również maksima są ostrzejsze i położone bardziej regularnie, co pozwala z dobrą dokładnością odczytać energię wzbudzenia atomów rtęci 4,9 eV pokrywającą się z różnicą pomiędzy sąsiednimi maksimami.

Wzbudzeniu atomów rtęci na pierwszy dostępny poziom o energii towarzyszy emisja promieniowania związanego z powrotem atomów wzbudzonych do stanu podstawowego. Odpowiadająca temu przejściu fala elektromagnetyczna ma długość λ = 253,7 nm.

Wykonanie ćwiczenia

Pomiar polegał na odczytywaniu natężenia prądu anody przy zwiększaniu napięcia między siatkami, a przy ustalonych wartościach napięcia żarzenia U_Ż,U₁ i U₃.

Wyniki oraz schemat układu pomiarowego zamieszczam poniżej.

1

2

K

S₁

S₂

A

---