Далее: 3.  Порядок выполнения работы Вверх: 4.  Лабораторная работа №24. Назад: 1.  Краткая теория

2.  Экспериментальная установка

Принципиальная схема установки показана на рис. 4.1.

В данной установке в качестве вольтметров $V_{\text{н}}, V_{\text{уск}}$ и $V_{\text{зад}}$ используется универсальный мультиметр. Провода от него подключаются к соответствующим точкам схемы при измерениях напряжений накала, сетки или задержки.

Рис. 4.1 

Баллон лампы наполнен газом. В нашем случае это $He$ (в лампе Л1) и $Ne$ (в лампе Л2), но может быть и какой-нибудь другой газ. В классическом варианте этого опыта были использованы пары ртути. Горячий катод испускает электроны. Перед анодом ставится сетка, разность потенциалов между анодом и катодом может быть любой. На анод подается потенциал, слегка отрицательный по отношению к сетке. (При ртутном наполнении он равен $0,5 B$.) Расположение электродов и давление газа подобраны так, что между сеткой и анодом столкновений почти нет, соударения между электронами, испускаемыми катодам, и атомами газа происходят между катодом и сеткой. Если соударения упругие, то электроны не теряют энергию и достигают анода. При неупругих соударениях электроны теряют энергию и оседают на сетке.

Таким образом, назначение сетки заключается в том, чтобы вылавливать электроны, которые потеряли свою энергию вследствие неупругих соударений с атомами газа.

Опыт происходит следующим образом.

Дают на сетку потенциал, равный катодному, затем потенциал увеличивают, тем самым разгоняя вылетевшие с катода электроны (кинетическая энергия электронов возрастает). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются и подлетают к сетке с энергией:

$${m_e v^2\over 2}= e U_{\text{уск}}$$

Пройдя сетку, электроны попадают в пространство между сеткой и анодом, где поле мало и скорость движения электронов будет практически постоянной. Если энергия электронов на пути от сетки к аноду не меняется, то все электроны пролетят сетку и достигнут анода, и по мере увеличения напряжения величина анодного тока $I_a$ возрастает (см.рис.4.2). Мы имеем участок кривой $OA$ -- обычная вольт-амперная характеристика электронных приборов.

Так будет обстоять дело до тех пор, пока разность потенциалов между катодом и сеткой $U_{\text{уск}}$ не достигнет определенной величины (в опыте с парами ртути это $4,9 B$). Как только ускоряющий потенциал $U_{\text{уск}}$ достигнет этой величины, анодный ток резко убывает (участок $AB$), а затем опять при дальнейшем увеличении $U_{\text{уск}}$ начинает возрастать до потенциала $9,8 B$ для ртути (участок $BC$). Таким образом, кривая состоит из острых максимумов, отстоящих друг от друга на расстояние $4,9 B$ для ртути.

Рис. 4.2 

Такой вид кривой говорит о том, что до тех пор, пока энергия электрона не достигла $4,9 \text{эВ}$, электрон испытывает с атомами ртути упругие столкновения, не теряет энергию и достигает
анода -- ток в цепи растет.

При потенциале в $4,9 B$ столкновения электронов с атомами становятся неупругими, и электрон отдает атому ртути при столкновении всю свою энергию. Такие потерявшие энергию электроны уже не смогут пролететь сетку (она их притянет, так как кинетическая энергия, а следовательно и скорость электронов, очень незначительна) и не достигнут анода, что дает резкое снижение тока. Если же энергия электрона заметно превосходит $4,9 \text{эВ}$, то такие электроны, потеряв часть своей энергии при неупругом ударе, все же обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть потенциал сетки и достигнуть анода. При энергии электрона, равной $9,8 \text{эВ}$, $14,7 \text{эВ}$ и т.д., электроны претерпевают неупругие соударения дважды и трижды, что дает второй и третий максимумы.

Таким образом, для атомов ртути энергия в $4,9 \text{эВ}$ имеет особое значение. Меньшую или большую (не кратную $4,9 \text{эВ}$) энергию атомы ртути не воспринимают, то есть атом ртути может обладать не любым запасом энергии, а только строго определенным. Такой ход кривой вольтамперной характеристики и доказывает существование дискретных уровней энергии в атоме. Ускоряющий потенциал $4,9 B$ называется первым потенциалом возбуждения. Как показали опыты, при неупругих ударах газ или пары металла начинают светиться и излучать в пространство совершенно определенные для данного газа спектральные линии с частотой $\nu$, которую можно определить из следующего соотношения:

$$h\nu = e U_1 .$$

В данной лабораторной работе свечение газа слабо заметно (у разных ламп газ светится с разной интенсивностью).

Замечание. Так как катод и сетка лампы сделаны из различных металлов, то вольтамперная характеристика, в данном случае, будет сдвинута относительно идеальной характеристики на величину контактной разности потенциалов, то есть первый максимум на характеристике будет соответствовать первому потенциалу возбуждения только с учетом поправки на контактную разность потенциалов. Поэтому первый потенциал возбуждения следует определять как разницу между первым и вторым максимумами:

$$\phi_1 = U_2 - U_1 ,$$

где	$U_1$ и $U_2$	--	первый и второй потенциалы возбуждения
			с "примесью" контактной разности потенциалов;
	$\phi_1$	--	первый потенциал возбуждения "в чистом виде".

Значения первых потенциалов $\phi_1$ возбуждения инертных газов:
Гелий	-	21,6 $B$		Криптон	-	9,9 $B$
Неон	-	16,6 $B$		Ксенон	-	8,3 $B$
Аргон	-	11,5 $B$

Далее: 3.  Порядок выполнения работы Вверх: 4.  Лабораторная работа №24. Назад: 1.  Краткая теория