evropský i "X^T tl iJMIj f00*,81"!.,, MINISTEHSTVO ŠKOLSTVÍ, OP Vzdiliriiií ^^Í^T fondVCR EVROPSKÁ UNIE MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY pra konkmficwchopnMt ^INA^ INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Ustav fyzikální elekotroniky Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita, Brno Fyzikální praktikum 3 Úloha 6. Franck-Hertzův experiment Úkoly 1. Sledujte vliv různých nastavení na chování proudu procházejícího trubicí. 2. Určete energii nejnižší excitační hladiny atomu Ne. 3. Naměřte spektrum vyzařované z trubice Pranck-Hertzova experimentu. (ul*v ^jj mm 7 ^ Obrázek 1: Gustav Hertz Princip Pranck-Hertzova experimentu Začátkem 20. století byla kvantová teorie elektronových stavů v atomech ověřována zejména pomocí atomových spekter. V roce 1914 Pranck a Hertz experimentálně prokázali, a to bez použití optické emisní spektroskopie, že kvantové energiové hladiny elektronů skutečně existují a shodují se s hladinami určenými optickou emisní spektroskopií. V roce 1925 byla Franckovi a Herzovi udělena Nobelova cena za jejich práci. Původní Franck-Hertzův experiment je založen na srážkách elektronů s atomy rtuti. Při srážce atomu s jinou energetickou částicí může být část jejich společné kinetické energie pohlcena atomem tak, že dojde k přechodu elektronu z elektronového obalu atomu do vyššího energiového stavu. Takto excitovaný atom po určité, často velmi krátké době přechází zpět do základního stavu emisí jednoho nebo více fotonů. Aby mohl být atom excitován nárazem jiné částice, musí být vzájemná Návody pro fy z. praktikum (verze 21. února 2012) 2 Positi vel y charged grid accelerates electrons Heated cathode produces electrons after Krane Collecti ng plate is slightl y negative with respect to the grid so that only those electrons above an energy threshold will reach it. Current from collector measured as a function of accelerating voltage. Obrázek 2: Experimentální uspořádání původního Franck-Hertzova pokusu energie srážejících se částic být větší než nejnižší excitační energie atomu. Pouze za splnění tohoto předpokladu může dojít k nepružné excitační srážce. Franck a Hertz využívali aparaturu podobnou té na obrázku 2 pro bombardování par rozličných prvků elektrony s proměnnou energií. Elektrony jsou emitovány žhavenou katodou a urychlovány směrem k mřížce. Mezi mřížkou a sběrnou elektrodou (kolektorem) je udržován malý potenciálový rozdíl, který urychlené elektrony po průletu mřížkou přibrzdí. Kolektorový proud roste s urychlujícím napětím pouze v určitém intervalu. Pro určitou hodnotu urychlujícího napětí je pozorován prudký pokles kolektorového proudu. Získají-li totiž elektrony v blízkosti mřížky kinetickou energii rovnou excitační energii elektronových stavů studovaného atomu, může dojít v blízkosti mřížky 400 TD (D U (D O U 300 200 100 - 5 10 Accelerating Voltage Obrázek 3: Závislost kolektorového proudu na urychlujícím napětí pro rtuť Návody pro fy z. praktikum (verze 21. února 2012) 3 k nepružným excitačním srážkám a kinetická energie elektronu po srážce již není dostačující k překonání potenciálového rozdílu mezi mřížkou a kolektorem. Elektron pak nedopadá na kolektor ale na mřížku. Kolektorový proud tedy prudce klesá. Příklad výsledků měření z Franck-Hertzova experimentu pro páry rtuti je na obrázku 3. Bylo pozorováno, že závislost kolektorového proudu na urychlujícím napětí vykazuje několik skoků, které se opakují po asi 4.9 V. Pro urychlující napětí 4.9 V došlo v blízkosti mřížky k nepružné excitační srážce, při které byla excitována nejnižší excitační hladina atomu rtuti a kolektorový proud poklesl. Pro urychlující napětí asi 9.8 V došlo ke dvěma nepružným srážkám elektronu s atomy rtuti. První nastala v oblasti mezi žhavenou katodou a mřížkou, druhá v blízkosti mřížky. Obě srážky vedli vždy k excitaci zejména nejnižší energiové hladiny atomu rtuti. Z výše uvedeného je zřejmé, že Franck-Hertzův experiment umožňuje měřit pouze nejnižší energiové hladiny atomů. Přesto však to byl první experiment, který bez použití optické emisní spektroskopie ověřil existenci kvantových hladin atomů, a proto měl velký význam pro atomovou a kvantovou fyziku. Experimentální uspořádání Na obrázku 4 je vyobrazeno experimentální uspořádání Franck-Hertzova experimentu, které budeme používat v praktiku. Uvnitř vakuové trubice je umístěna žhavená katoda C, dvě mřížky Gi a G2 vzdálené L a anoda (kolektor) A. Malé napětí Ui mezi katodou C a první mřížkou Gi slouží pouze ke stabilizaci experimentu. Urychlující napětí U2 mezi mřížkami Gi a G2 slouží k nastavení energie elektronů. Elektrony jsou pak zpomalovány napětím U3 mezi mřížkou G2 a anodou A. Pokud se elektron nepružně srazí v blízkosti mřížky G2, zpomalovací napětí U3 může způsobit, že elektron již nedopadne na anodu A, ale dopadne na mřížku G2. Trubice je plněna neonem. Napětí Ui a U3 lze nastavit na požadovanou hodnotu. Napětí U2 lze buď nastavit na požadovanou hodnotu, nebo je možné jej generovat ve tvaru pily. 0...5 V 0...80 V 0...-10 V Obrázek 4: Experimentální uspořádání Franck-Hertzova pokusu pro praktikum Návody pro fy z. praktikum (verze 21. února 2012) 4 Obrázek 5: Aparatura pro měření úlohy: (1) Zdroj napětí, (2) Vakuová trubice, (3) Voltmetry (4) Spektrometr Avantes Postup měření Podle instrukcí vedoucího v praktiku sestavte Franck-Hertzův experiment. Vedoucí praktika Vám ukáže, jak nastavit napětí Ui, U2 a U3 a jak získat U2 ve tvaru pily. Pracujte v režimu, kdy U2 je aplikováno ve formě pily a ověřte, jaký vliv má napětí Ui a U3 na výsledky měření. Nejprve nastavujte různé U3, Ui mějte konstantní a sledujte závislost I=f(U2). Data nezaznamenávejte, pouze na základě vlastní zkušenosti s chováním experimentu vyvoďte co nejvíce závěrů a podpořte je fyzikální úvahou. Totéž opakujte pro konstantní U3 a různé Ui. Na základě předchozích experimentů naměřte pro několik vhodných kombinaci Ui a U3 závislost I=f(U2). Určete energii nejnižší excitační hladiny atomu Ne a srovnejte svůj výsledek s daty z National Institute of Standards and Technology, která jsou v podsekci Atomic spectra database (http: //www.physics.nist.gov/PhysRefData/contents.html). Na závěr úlohy příručním spektrometrem naměřte spektrum vyzařované z trubice Franck-Hertzova experimentu a s využitím databáze z National Institute of Standards and Technology potvrďte, že trubice je skutečně plněna Ne a ne Ar nebo Xe. Srovnejte polohy čar Ar, Xe a Ne z databáze s těmi naměřenými.