Лабораторная работа № 10

Определение резонансного потенциала

Криптона методом франка и герца

Теоретическая часть

Франк и Герц (1914г.) в своем опыте на примере паров ртути, заполняющих газоразрядную трубку, доказали существование дискретных уровней энергии атомов.

Электроны, встречающие на своем пути атомы ртути, могут испытывать с ними соударения двойного рода. Первый тип соударений - упругие столкновения, в результате которых энергия не изменяется, а лишь происходит изменения направлений скоростей электронов. Второй тип соударений – неупругие столкновения. Это связано с потерей электроном энергии и передачей этой энергии атомам ртути.

В соответствии с постулатами Бора каждый из атомов ртути не может принять энергию в любом количестве. Атом может воспринять лишь определенную порцию энергии и перейти при этом в одно из возбужденных энергетических состояний. Ближайшим к нормальному состоянию атома ртути является возбуждение состояния, отстоящее от основного по шкале энергий на 4,86 ЭВ (~ 4,9 ЭВ).

До тех пор, пока электроны ускоряемые полем (между К-С) не приобретут энергию еφ₁ = 4,86 ЭВ, они испытывают лишь упругие столкновения и анодный ток возрастает. Как только кинетическая энергия электронов достигает 4,86 ЭВ, начинает происходить неупругие столкновения. Электрон с таким значением энергии полностью отдает ее атому ртути, возбуждая переход одного из электронов атома ртути из нормального энергетического состояния на возбужденный энергетический уровень.

На рис. 1. приведена характерная кривая зависимости анодного тока (Iа) от разности потенциалов между катодом и сеткой (К-С) в опыте Франка и Герца.

Рис. 1.

Выводы из опытов франка и герца

Т.о. в опытах Франка и Герца был подтвержден первый постулат Бора: атомы имеют дискретный спектр энергетических уровней и могут воспринимать энергию только порциями.

Третий постулат Бора (правило частот)также экспериментально подтвердился в опытах Франка и Герца. Атомы ртути, возбужденные электронным соударением, оказались источником ультрафиолетового излучения с длинной волны λ = 2587А⁰ (первая резонансная линия ртути).

Это излучение происходит в тот момент, когда атом ртути, возбужденный электронным ударом на уровень с энергией E₂, возвращается в основное нормальное энергетическое состояние с энергией E₁. Согласно правилу частот Бора E₂-E₁ = hυ, E₂-E₁ = ΔE., но ΔE = 4,9ЭВ, еφ₁ = 4,9 ЭВ, φ₁ = 4,9 В, тогда длина волны

Этот результат хорошо согласуется с экспериментом.

Резонансная линия – спектральная линия излучения, при которой частота излучающего света совпадает с частотой света, поглощаемого атомом в основном энергетическом состоянии.

Резонансный потенциал. Резонансная флуоресценция.

Атомы особенно интенсивно поглощают свет (излучение) частоты, соответствующей переходу атома из основного состояния в ближайшее к нему возбужденное состояние. Это явление называется резонансным поглощением, а частота - резонансной частотой. Возвращаясь затем в основное состояние, атомы испускают фотоны резонансной частоты. Соответствующее излучение носит название резонансного излучения или резонансной флуоресценции.

Резонансная люминесценция – при которой длина волны флуоресценции совпадает с длинной волны возбуждающего излучения.

Впервые это явление было открыто В. Вудом в 190 4г. Вуд обнаружил, что пары натрия при облучении их светом соответствующим желтой линии натрия, начинают светиться, испуская при этом излучения той же длинны волны. Позднее аналогичное свечение наблюдалось в парах ртути. Вследствие резонансного поглощения свет, прошедший через вещество, ослабляется.

В согласии с первым постулатом Бора атом ртути (в опытах Франка, Герца) может обладать не любыми запасами энергии, а только избранными. Если E₁ – будет запас энергии «невозбужденного» атома ртути, то следующее возможное значение энергии атома будет (E₁ +4,9) ЭВ. Ускоряющий потенциал φ₁=4,9 В называется «первым критическим потенциалом» или «резонансным потенциалом» атома ртути.

; E_ф=Eкин_(е)=еφ, - резонансный потенциал.

- (с – скорость света = 3·10⁸м/с)

Определяя длину волны резонансной линии, можно вычислить первый критический потенциал.

Описанные выше свойства атомов ртути можно наблюдать и на других атомах.

В таблице 1 приведены значения резонансного потенциала для инертных газов и некоторых веществ.

Таблица 1.

	Водород	Гелий	Неон	Аргон	Криптон	Натрий	Ртуть
Элемент	H	He	Ne	Ar	Kr	Na	Hg
Резонансный потенциал, В	13,539	24	21,482	15,7	13,5	5,371	4,86

Опыт Франка и Герца позволяет определить разность значений энергии в различных стационарных состояниях.

ΔE₁ = E₂ - E₁, ΔE₂= E₃- E₂, и.т.д.

Однако определить экспериментально самые значения энергий E₁, E₂, E₃,… значительно труднее.