Temat:

Doświadczenie Franka Hertza

Wstęp teoretyczny

Doświadczenie Franka-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.

K

S1

S2

A

Do obserwacji tego zjawiska posługujemy się lampą Franka-Hertza, której budowa jest przedstawiona po niżej.

W zamkniętej bańce szklanej wypełnionej parami rtęci znajdują się : żarzona katoda K , anoda  A, oraz dwie siatki S1  i  S2 .

  Elektrony wylatujące z katody K przyspieszane są wstępnie niewielką różnicą potencjałów U1 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 IA , gdyż coraz większa liczba elektronów dociera do anody pokonując małe napięcie hamujące U 3 , które przykładamy między siatkę S2 i  anodę A .

     Jeżeli energia elektronów przekracza wartość 4.9eV, pojawiają się zderzenia nie sprężyste, 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 . 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 między siatką S2 i anodą. Następne załamanie krzywej prądu anodowego odpowiada ponownemu osiągnięciu przez elektrony energii 4.9eV.przy dalszym wzroście napięcia U2 mogą być obserwowane dalsze zderzenia niesprężyste , czyli dalsze załamania prądu anodowego. Krzywa zależności prądu anodowego IA od napięcia U2 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 4,9eV pokrywającą się z odległością  między sąsiednimi maksimami .

Wzbudzeniu atomów rtęci na pierwszy dostępny poziom o energii 4,9eV towarzyszy emisja promieniowania związanego z powrotem atomów wzbudzonych do stanu podstawowego. Odpowiadająca temu przejściu fala elektromagnetyczna ma dł. l=253.7[nm], czyli leży w ultrafiolecie I dlatego nie może być bezpośrednio obserwowana.   

Przebieg ćwiczenia:

Celem naszego ćwiczenia jest sprawdzenie jednego z postulatów Bohra, które mówi, że atomy mogą emitować energie tylko w określonych porcjach.

Podczas wykonywania tego ćwiczenia załączaliśmy kolejno w obwód napięcie U2 od 20[V] do 50[V] co 0,5[V]. Naszym celem było odczytanie prądu anodowego IA dla poszczególnych napięć z zakresu 20 - 50[v] i wyników zanotowanie w tabelce. Na podstawie tych danych may sporządzić wykres zależności prądu anodowego od napięcia U2

Wyniki mało dokładne (tym wynikom odpowiada wykres nr.2. Lp.	U2 [V]	I1 [mA]	I1 [mA]
1	20,0	4,2	3,1
2	20,5	4,0	3,1
3	21,0	3,9	3,2
4	21,5	3,8	3,3
5	22,0	3,9	3,4
6	22,5	4,2	3,5
Wyniki dokładniejsze (wykres nr.1) . 7	23,0	5,0	3,6
8	23,5	5,6	3,9
9	24,0	5,9	3,9
10	24,5	5,8	4,0
11	25,0	5,2	4,1
12	25,5	...