ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА АТОМА НЕОНА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ НЕОНА

ОПЫТ ФРАНКА-ГЕРЦА

Содержание работы

1) получение дискретные энергетические состояния атомов неона;

2) определение первого потенциала возбуждения и энергии возбуждения атомов неона;

Приборы и принадлежности:

1) блок управления для эксперимента Франка-Герца;

2) блок с неоновой трубкой;

3) ПС с системой Windows 95 или выше.

Литература:

1. Савельев И.В. Курс общей физики. В 5 кн. Кн. 5. Квантовая оптика 2002.

2. Журавлева Н.И., Королева Л.В. Квантовая оптика. Элементы квантовой механики. Учебное пособие. – М.: МПГУ, 2002.

3. Королев М.Ю. Основы квантовой физики. Учебное пособие. Вып. 4. – М.: МПГУ, 2004.

ВВЕДЕНИЕ

В опыте Франка — Герца экспериментально доказывается дискретность внутренней энергии атома, существование дискретных энергетических уровней атома. Опыт поставлен в 1913 г. немецкими учеными Дж. Франком и Г. Герцем, а 1925 г. за этот эксперимент им была присуждена Нобелевская премия. Чуть раньше, чем проводились эти эксперименты, Н. Бор выдвинул гипотезу о стационарных состояниях атомов и излучении (поглощении) квантов при переходе между ними. Гипотеза Н. Бора объясняла линейчатый характер спектра атомов.

В опытах использовалась трубка (рис.), заполненная парами ртути при давлении р ≈ 1 мм рт. ст. и три электрода: катод, сетка и анод.

Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было изменять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом тормозящее поле 0,5 В (метод задерживающих потенциалов).

Рис. 1

Определялась зависимость тока через гальванометр Г от разности потенциалов между катодом и сеткой U. В эксперименте была получена зависимость, изображенная на рис. 2. Здесь U = 4,86 В – соответствует первому потенциалу возбуждения.

Рис. 2

Согласно боровской теории, каждый из атомов ртути может получить лишь вполне определенную энергию, переходя в одно из возбужденных состояний. Поэтому если в атомах действительно существуют стационарные состояния, то электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно, определенными порциями, равными разности энергии соответствующих стационарных состояний атома.

Из опыта следует, что при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,86 В анодный ток возрастает монотонно, его значение проходит через максимум (4,86 В), затем резко уменьшается и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при значениях напряжений кратных 4,86 В: 9,8 В, 14,7 В.

Ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее по шкале энергий на 4,86 В. Пока разность потенциалов между катодом и сеткой меньше 4,86 В, электроны, встречая на своем пути атомы ртути, испытывают с ними только упругие соударения. При = 4,86 эВ энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути всю кинетическую энергию, возбуждая переход одного из электронов атома из нормального состояния в возбужденное. Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию, уже не смогут преодолеть тормозящий потенциал и достигнуть анода. Этим и объясняется резкое падение анодного тока при = 4,86 эВ. При значениях энергии, кратных 4,86, электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения. При этом они полностью теряют свою энергию и не достигают анода, т.е. наблюдается резкое падение анодного тока.

Таким образом, опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями, причем 4,86 эВ – наименьшая возможная порция, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестяще выдержала проверку экспериментом.

Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию, переходят в возбужденное состояние и должны вернуться в основное, излучая при этом, согласно второму постулату Бора, квант света с определенной частотой. По известному значению энергии можно вычислить длину волны светового кванта: .

Таким образом, если теория верна, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4,86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с длиной волны λ, что действительно обнаружилось в опыте. Дополнительным свидетельством того, что переданная электроном энергия пошла на возбуждение атома, явился спектральный анализ излучения, возникающего при возбуждении. Атом в возбужденном состоянии живет недолго. При возврате в основное состояние переданная энергия ΔE = 4.9 эВ должна излучиться в виде кванта с той же энергией. Длина волны =253 нм. И такая линия действительно была найдена Дж. Франком и Г. Герцем!

Результаты опытов Дж. Франка и Г. Герца стали мощной поддержкой квантовых постулатов Н. Бора: опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, но и второй постулат Бора и сделали большой вклад в развитие атомной физики, показано существование у изолированных атомов дискретных уровней энергии. Позднее Дж. Франк признался, что они "не оценили по достоинству фундаментальное значение теории Бора, настолько, что даже не упомянули о ней в своей статье".

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА АТОМА НЕОНА

В экспериментальной установке данной лабораторной работы в отличие от классического варианта опыта Франка-Герца, в качестве исследуемой среды, в которой происходят электрон-атомные столкновения, используется инертный газ неон. Выбор неона вместо паров ртути обусловлен тем, что ряд линий излучения возбужденных атомов неона лежит в видимом диапазоне. Это позволяет сделать процесс исследования более наглядным.

Атом неона в основном (невозбужденном) состоянии, как и атом любого инертного газа - элемента восьмой группы, имеет замкнутую валентную электронную оболочку конфигурации p⁶ . По этой причине основное состояние атомов инертных газов достаточно далеко отстоит от первого возбужденного. Фрагмент схемы электронных уровней неона приведен на рис. 3. Электронная оболочка нижней группы возбужденных состояний обладает структурой 2р⁵3s. Данная группа уровней включает в себя состояния с энергией возбуждения от 16,619 эВ до 16,848 эВ, которые отличаются величиной спинового и полного моментов. Следующая группа возбужденных состояний отстоит от нижней на величину примерно 1,7 эВ и имеет электронную оболочку состояния 2p⁵ 3p. Энергии десяти подуровней этой группы лежат в диапазоне от 18,382 эВ до 18,996 эВ. Спонтанные переходы атомов неона из состояний второй группы в состояния первой группы приводят к появлению излучения ряда узких спектральных линий в видимом (540÷744 нм) диапазоне.

Характеристики атомов некоторых элементов I группы в таблице Менделеева.