ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет естественнонаучный
Кафедра физики
Измерение потенциалов ионизации атомов инертных газов.
Методические указания к лабораторной работе
Пенза, 2004 г.
Измерение потенциалов ионизации атомов инертных газов.
Цель работы – экспериментальное определение потенциала ионизации атомов инертного газа.
Приборы и принадлежности: лабораторная установка, тиратрон, наполненный исследуемым инертным газом.
1. Теоретическое введение.
Ионизация и возбуждение при столкновениях электронов с молекулами.
Столкновение молекулы (молекула может быть и одноатомной) газа с электроном, ионом или нейтральной молекулой может привести к ее возбуждению или ионизации. На возбуждение или ионизацию требуется затратить энергию. При соударении частиц энергия возбуждения или ионизации чаще всего получается за счет их кинетической энергии, имевшейся до столкновения. Рассматриваемые процессы проще всего изучать на примере центрального удара.
Пусть две частицы двигаются по одной прямой с относительной скоростью 
. Отнесем движение к системе отсчета, в которой одна из частиц до столкновения неподвижна (ударяемая частица). Пусть массы ударяющей и ударяемой частиц 
и 
. По закону сохранения импульса и закону сохранения энергии:
1.1
. 1.2
Здесь 
и 
– скорости частиц после столкновения и A– изменение их внутренней энергии, произошедшее при переходе одной или обеих частиц в новое квантовое состояние. Исключив из системы уравнений, получаем:
. 1.3
В зависимости от условий удара при заданной скорости величины А и могут быть различны. Однако исследование полученного уравнения показывает, что максимальное значение 
оказывается равным
. 1.4
Здесь 
– кинетическая энергия налетающей частицы.
При любых столкновениях (центральных и нецентральных) доля кинетической энергии, затраченная на изменение внутренней энергии частиц, не может превосходить .
Если ударяющая частица – электрон, 
и
. 1.5
Следовательно, кинетическая энергия электрона почти целиком может быть израсходована на изменение внутренней энергии молекулы. Произойдет ли оно в действительности, будет, однако, зависеть от условий столкновения. Если при соударении электрона с молекулой в нормальном (не возбужденном) состоянии 
, где 
– низший потенциал возбуждения, то переход молекулы даже на первый возбужденный уровень невозможен и всегда будет 
, то есть столкновения будут абсолютно упругими. Скорость электрона даже в слабых полях много больше скорости молекулы, а масса много меньше, и электрон отражается от молекулы почти как упругий шар от неподвижной стенки, теряя при этом очень мало энергии. Столкновение может быть упругим и тогда, когда 
и даже если 
, здесь 
– потенциал ионизации. Приведенные условия являются только необходимыми, но не достаточными условиями перехода в возбужденное или ионизованное состояние (вероятности рассматриваемых процессов остаются меньшими единицы).
Однако, при достижении значений кинетической энергии электронов некоторая доля столкновений электронов с молекулами газа станет приводить к ионизации последних. В газе в этом случае будут образовываться положительно заряженные ионы, которые можно зарегистрировать в ходе эксперимента. Таким образом, если в ходе эксперимента контролировать энергию электронов, измеряя ускоряющую разность потенциалов, то по моменту возникновения положительных ионов можно определить энергию ионизации (ионизационный потенциал) молекул.
2. Описание экспериментальной установки.
Схема экспериментальной установки представлена на рисунке. Установка состоит из газоразрядной лампы VL, содержащей исследуемый газ, стабилизированного источника питания подогревателя катода 
, регулируемого источника ускоряющего напряжения 
и вольтметра 
, включенных в цепь сетки, и гальванометра 
, измеряющего ионный ток, поступающий на анод.
В качестве газоразрядной лампы в лабораторной работе используется тиратрон с накаливаемым катодом, содержащий исследуемый инертный газ. Конструкция применяемых тиратронов такова, что анод находится внутри коробки из никеля, имеющей щель со стороны анода. Такая коробка выполняет роль сетки.
Создавая ускоряющую разность потенциалов между накаленным катодом и сеткой, можно создавать поток электронов, ускоренных до заданной энергии, попадающих на сетку. Часть из этих электронов через щель проникает в пространство за сеткой и, двигаясь к аноду испытывает столкновения с атомами наполняющего тиратрон газа. Анод тиратрона находится под потенциалом катода, поэтому электроны отталкиваются анодом. (Анод в этом случае выполняет роль коллектора ионов). Основная масса электронов в этих условиях уходит на никелевую коробку сетки и лишь малая доля электронов, прошедших за сетку, достигает анода.
Если энергия электронов ниже энергии ионизации (ускоряющая разность потенциалов меньше потенциала ионизации), то ток анода мал. При достижении потенциала на сетке значения, равного потенциалу ионизации газа, электроны в пространстве за сеткой начинают испытывать ионизующие столкновения. Возникающие ионы имеют положительный электрический заряд поэтому поле между анодом и сеткой для ионов является ускоряющим, что позволяет ионам беспрепятственно попадать на анод. В результате этого происходит рост тока анода.
Ионный ток регистрируется гальванометром, включенным в цепь анода. Начало роста этого тока свидетельствует о том, что на сетке достигнут потенциал, равный потенциалу ионизации.
3. Порядок выполнения работы.
1. Включить питание установки (включить два источника питания, мультиметр, установив предел измерения «20 В», и ламповый вольтметр).
2. Подключить мультиметр к гнезду контроля напряжения накала.
3. Регулятором накала установить выбранное напряжение накала в диапазоне 1 – 3 В и дать тиратрону прогреться в течение 3-х минут.
4. Включить мультиметр в гнездо контроля напряжения сетки.
5. Изменяя напряжение сетки с помощью специального регулятора установки, исследовать зависимость тока анода от напряжения сетки, фиксируя результаты измерений в таблице.
6. Повторите измерения для 5-ти различных напряжений накала (повторите пункты 2 –5).
7. Постройте графики зависимости тока анода от напряжения сетки.
8. Анализируя графики, определите потенциал ионизации инертного газа, наполняющего тиратрон.
9. По справочным данным установите газ, наполняющий тиратрон.
Вопросы для самоконтроля.
1. Определите понятие потенциал ионизации атома.
2. Объясните исследуемые вольтамперные характеристики.
3. Как влияет внешняя контактная разность потенциалов, возникающая между материалами катода и сетки, на вольтамперные характеристики?
4. Может ли внешняя контактная разность потенциалов служить источником погрешности измерения потенциала ионизации?
5. Почему при описании процесса ионизации в условиях экспериментальной установки не принимают во внимание столкновения ионов с атомами газа?
6. Следует ли в условиях эксперимента, проводимого в ходе лабораторной работы, учитывать возникновение возбужденных атомов? Обоснуйте ответ.