Опыт Франка – Герца
МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ДОНСКОЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРАФИЗИКИ
Методическиеуказания к лабораторной работе №22
пофизике
(Раздел«Атомная физика»)
Ростов-на-Дону
Составители:А.П.Кудря, О.А.Лещева, И.В.Мардасова,
О.М.Холодова.
ОпытФранка-Герца. Метод. указания / Издательскийцентр ДГТУ. Ростов-на-Дону. 2011. с
Методическиеуказания предназначены для организациисамостоятельной работы студентов приподготовке к лабораторному практикумуи рейтинговому контролю.
Печатаетсяпо решению методической комиссиифакультета
«Нанотехнологиии композиционные материалы»
Научныйредактор: проф., д.т.н. В.С.Кунаков
Издательский центр ДГТУ, 2011
Опыт франка и герца
Цельработы.1.Определение первого потенциалавозбуждения атомов инертного газа(аргон или криптон) повольтамперной зависимости I(U)электронной лампы.
2.Определение энергии возбуждения атомовинертного газа, длины волны и массыизлученного фотона.
Оборудование:тиратрон ТГ (газонаполненная трехэлектроднаялампа), звуковой генератор, вольтметр,осциллограф.
Краткая теория
Согласнопланетарной модели атома Э.Резерфордаатом состоит из ядра, имеющего положительныйзаряд,где
-порядковый номер в таблице Менделеева,- заряд электрона. Вокруг ядра поддействием кулоновских сил вращаются
электронов. Атом электрически нейтрален.
Таккак электрон в атоме движется с ускорением,то, согласно классической теории, атомдолжен непрерывно излучать энергию.Это означает, что электрон не можетудержаться на круговой орбите – ондолжен по спирали приближаться к ядруи частота его обращения вокруг ядра, аследовательно, и частота излучаемых имэлектромагнитных волн, должна непрерывноувеличиваться. Иными словами,электромагнитное излучение должноиметь непрерывный спектр, а сам атомявляется неустойчивой системой.
Вдействительности эксперименты показывают,что: а) атом является устойчивой системой;б) атом излучает при определенныхусловиях; в) излучение атома имеетлинейчатый спектр.
Дляразрешения противоречий датский ученыйН.Бор в
1913году предложил следующие постулаты.
Первыйпостулат(постулат стационарных состояний).Существуют стационарные состоянияатома, находясь в которых он не излучаетэнергию. Этим стационарным состояниямсоответствуют вполне определенныестационарные орбиты, по которым движетсяэлектрон под действием кулоновскойсилы.
Второйпостулат(правило квантования орбит). Из всехвозможных орбит являются разрешеннымите, для которых момент импульса электронапропорционален главному квантовомучислу:
, (1)
где:
–постояннаяПланка;
– масса электрона;–радиус–йорбиты,-скорость электрона на ней (=1,2,3).
Третийпостулат(правило частот). При переходе из одногостационарного состояния в другоеиспускается или поглощается один фотон.Энергия фотона равна разности энергийатома в двух его состояниях:
,(2)
если
,то происходит излучение фотона, если
— поглощениефотона.
Наосновании своих постулатов Бор разработалэлементарную теорию водородоподобногоатома. В простейшем предположениидвижение электрона в атоме происходитпо круговой орбите радиусавокруг протона под действием силыКулона. Уравнение такого движения имеетвид:
(3)
где
-коэффициент пропорциональности.
Из(1) и (3) следует, что скорость электронана-й орбите
, (4)
тогдарадиус–й орбиты:
(5)
где
–боровский радиус.
Кинетическаяэнергия электрона на– й орбите, с учетом (4)
(6)
Потенциальнаяэнергия электрона на n–ой орбите, с учетом (5)
(7)
Полнаяэнергия электрона на–ой орбите, с учетом (6) и (7),
(8)
Максимальноезначение этой полной энергии, равноенулю, достигается при
.Как следует из (8), для удаления электронаот протона, т. е. для ионизации атомаводорода, необходима энергия
.
Сучетом правила частот (2) поглощать иотдавать энергию атом может лишьпорциями, переходя из‑госостояния в
-ое
(9)
Еслиэнергию фотона (9) выразить через длинуволны
то получим сериальную формулу:
(10)
где
-постоянная Ридберга.
ОпытФранка-Герца можно проиллюстрироватьс помощью электронной лампы, наполненнойинертным газом. Схема измерительнойустановки приведена на рис.1.
Электроннаялампа находится в рабочем состоянии,когда на нить накала ННкатода Кподано напряжение 6,3 В. Из раскаленногокатода вылетают термоэлектроны сразнообразными скоростями и попадаютв переменное электрическое поле,создаваемое звуковым генератором ЗГмежду управляющей сеткой Си катодом К.Эффективное напряжение
контролируется по вольтметруV.
Когдана сетку лампы подается отрицательныйпотенциал, ток в анодной цепи отсутствует,лампа заперта. В течение следующегополупериода на сетку лампы подаетсявозрастающий положительный потенциал,лампа открыта. От генератора часть
токаI1протекает по цепи сетка — катод, другаячасть тока I2 –по цепи резистор R— анод А— катод К(см. рис.1). Ток I2создает на резисторе Rнебольшоепадение напряжения, приложенное кэлектродам ламы сетка – анод. Благодаряэтому напряжению электроны движутсяв области сетка – анод в слабом тормозномэлектрическом поле. В области катод –сетка движение электронов ускоренное.
Вускоряющем поле электроны приобретаютдополнительную кинетическую энергию.Если эта энергия меньше энергиивозбуждения атомов инертного газа, тоэлектроны испытывают с ними упругиестолкновения без потери энергии. Приэтом электроны приобретают скорость,достаточную для преодоления небольшогозадерживающего напряжения между анодоми сеткой лампы. В анодной цепи протекаетток.
С увеличением напряжения междусеткой и катодом лампы анодный токвозрастает до тех пор, пока, это напряжениене достигнет значения первого потенциалавозбуждения атомов инертного газа. Приэтом электроны, прошедшие ускоряющуюразность потенциалов между катодом исеткой лампы, приобретают энергию,достаточную для перевода атомов инертногогаза из основного состояния в первоевозбужденное состояние.
В результатенеупругих столкновений с атомамиинертного газа скорость большинстваэлектронов уменьшается и они не могутпреодолеть задерживающее напряжениемежду анодом и сеткой лампы, что приводитк уменьшению анодного тока I2 .Падение напряжения на резисторе UR ,созданное током I2 ,подается на вертикально отклоняющиепластины ЭЛТ.
На горизонтально отклоняющие пластиныэлектронно-лучевой трубки (ЭЛТ)подается напряжение пилообразной формыот генератора развертки ГР.При равенстве частот генератора разверткии звукового генератора на экранеосциллографа наблюдается устойчиваяосциллограмма (см. рис.1).
По осциллограммеможно определить первый потенциалвозбуждения атомов инертного газа поуменьшению анодного тока (I2~UR).
Измеривкритическое значение
,при котором на осциллограмме появляетсяпервый минимум, можно определить энергиювозбуждения атомов инертного газа,равную разности энергий первоговозбужденного и основного состоянийатома:
, (11)
где
— амплитуда синусоидального напряженияна выходе генератора,
— заряд электрона.
Атомыинертного газа, возбужденные в результатенеупругого взаимодействия с электронами,по прошествии очень короткого времени(~10-8с),вновь возвращаются в основное состояние,испуская при этом квант света (фотон),энергия которого равна разности энергийвозбужденного и основного состояний иопределяется по формуле (11).
Возбужденныйатом инертного газа высвобождаетпоглощенную энергию, испуская фотон.При энергии возбуждения Eдлина волны и масса такого фотонасоответственно равны:
; (12)
, (13)
где
— постоянная Планка,
-скорость света в вакууме.
Герц создавал колебания зарядов в электрическом контуре-вибраторе и наблюдал, как в расположенном рядом контуре-резонаторе проскакивали искры и возникали электромагнитные колебания.
Удивительные опыты Герца затем успешно повторялись во многих странах и лабораториях мира. С раздумий над опытами Герца начались, как мы знаем, замечательные исследования Михаила Степановича Попова, которые привели затем к изобретению радиосвязи.
Герц назвал зарегистрированные им колебания лучами электрической силы.
Портрет Генриха Герца
Он обнаружил, что электрические лучи интерферируют и преломляются в призме, сделанной из асфальта, точно так же, как световые лучи преломляются в стеклянной или кварцевой призме или линзе. Отличаются эти лучи лишь частотой колебаний или длиной волны: для лучей Герца длина волны составляла от 60 сантиметров до нескольких метров, в то время как длина волны световых лучей — от 0,4 до 0,75 микрона.
Генрих Герц писал: «представляется весьма вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электромагнитного волнового движения».
Опыты Герца заставили ученых все чаще вспоминать о смелой теории Максвелла, объединившей все световые и электрические явления в единое целое.
Расчеты показали, что скорость электромагнитных волн Герца равна скорости света!
Научных фактов в пользу теории Максвелла накапливалось все больше.
Подтвердилось соотношение, выведенное Максвеллом, по которому показатель преломления любого вещества равен корню квадратному из произведения его диэлектрической и магнитной проницаемости. Тем самым между электрическими и оптическими свойствами вещества устанавливалась четкая и очевидная связь
Фотография небольшой установки, позволившей ему обнаружить, что один колебательный контур радиосхемы может улавливать электромагнитные волны, посылаемые другим контуром.
Находили свое простое объяснение открытия Бартолина и Малюса: в световом луче, содержащем поперечные электромагнитные волны самых различных ориентаций, при отражении от диэлектриков или прохождении через анизотропные кристаллы остаются волны, колебания которых лежат в строго определенной плоскости,- поляризованные волны.
В 1879 году английский физик Джон Керр обнаружил, что можно в любом однородном веществе, например в жидкости или газе, наблюдать явление двойного лучепреломления под действием сильного электрического и магнитного поля.
Еще одно подтверждение тесной связи оптических и электрических свойств вещества и одновременно свидетельство того, что газ или жидкость при определенных условиях становятся похожими на анизотропные кристаллы!
Как это близко к научным чудесам XX века по превращению одних веществ в другие
Источник: https://school10-mgn.ru/opyty-gerca-elektromagnitnye-volny-soobshchenie-opyt-franka-i-gerca-korotkaya.html
Физики доказали электромагнитную природу света
Электромагнитная природа света подтверждена окончательно. Лишь в 2009 году физики создали методику, способную измерить колебания магнитной компоненты света. Их работа пригодится для создания шапок-невидимок и других чудес нанооптики.
Уже почти полтора века назад человечеству стало ясно, что свет — электромагнитная волна.
Первым об этом догадался Максвелл: когда он получил волнообразное решение своих знаменитых уравнений и вычислил скорость этих волн, получилось значение, очень близкое к измеренной на тот момент скорости света.
Шотландец немедленно предположил, что свет и есть электромагнитная волна, а частота ее колебаний определяет свойства, в первую очередь цвет света (к тому моменту были известны лишь два вида световых лучей – видимые и инфракрасные).
В любом учебнике физики написано, что электромагнитная волна, будь то радиоволны, свет или жесткое рентгеновское излучение, представляет собой пару электрического и магнитного полей, которые непрерывно превращаются друг в друга и тем самым поддерживают распространение волны. Электрический и магнитный векторы направлены перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны и непрерывно осциллируют, поддерживая друг друга.
Электричество заметнее магнетизма
Может показаться невероятным, но на деле такое представление о свете экспериментальной проверке до сих пор не подвергалось. Конечно, в конце XIX века, вскоре после смерти Максвелла, немец Генрих Герц смог получить подобную волну гораздо меньшей частоты (выражаясь современным языком, это были радиоволны УКВ-диапазона) и тем самым доказал существование предсказанных Максвеллом волн.
Тем не менее, что касается непосредственно света, то наличие в этих волнах магнитной составляющей до сих пор экспериментально не было показано. Тому есть простая причина: электрическая составляющая волны хоть и несет такую же энергию, как магнитная, гораздо охотнее передает ее заряженным частицам. А именно на воздействии на заряженные частицы в конечном счете основаны все детекторы света – хоть ультрамодная ПЗС-матрица, хоть человеческий глаз.
Чтобы «почувствовать» магнитную составляющую световой волны, частица должна двигаться, и чем быстрее она движется, тем лучше. Лишь при скорости, близкой к скорости света, влияние электрической и магнитной составляющих сравнивается.
Однако даже легчайшие электроны движутся вокруг атомных ядер со скоростью существенно меньшей, чем скорость света, а потому в большинстве случаев электрическая сила безоговорочно доминирует.
Ваша свадебная фотография, видеозапись первых шагов вашего ребенка и комфортное чтение вот этих самых букв – все это проявления работы именно электрической, а не магнитной силы.
Генрих Герц в миниатюре
В 2009 году, через 130 лет после кончины Максвелла, его предположения о природе света наконец подтверждены окончательно.
К публикации в американском журнале Science принята статья группы голландских физиков под руководством Маттео Буррези из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме, которым наконец удалось зафиксировать и измерить магнитную составляющую световой волны.
Публикация в престижном журнале – превосходный подарок к завершению аспирантуры: диссертацию Буррези защитил буквально неделю назад.
Оборудование и методика, которыми пользовались голландцы, удивительным образом похожи на те, с чьей помощью Герц создал первые рукотворные электромагнитные волны.
Чтобы доказать волновую природу генерируемых электрическим разрядом сигналов, он создал так называемую стоячую волну, «заперев» ее между двух цинковых зеркал.
А детектировал электромагнитное поле Герц с помощью металлического кольца с прорезью, в котором волна разгоняла ток; если он был достаточно сильным, в прорези проскакивала искра, которую и наблюдал немецкий физик.
Методика измеренийЧтобы измерить магнитное поле световой волны, ученые возбуждали вторичную световую волну колебаниями магнитного вектора стоячей волны в окрестности волновода и измеряли ее фазу интерферометрическим способом.
Буррези также использовал стоячую волну и кольцо с прорезью, только микроскопических размеров, в тысячи раз тоньше человеческого волоса. В роли кольца выступало металлическое покрытие на кончике зонда сканирующего микроскопа, а прорезь в нем, ширина которой всего 40 нанометров, пришлось вытравливать сфокусированным потоком ионов.
Ученые опустили зонд в 20 нм от волновода, где распространялся лазерный луч с длиной волны 1550 нм; это ближний инфракрасный диапазон, и для работы с таким светом используются технологии оптики, а не радиофизики.
Методика измерений довольно сложна, однако в результате у авторов не осталось сомнений – их зонд измерил именно магнитное поле волны.
И его поведение оказалось ровно таким, какое предсказывают уравнения Максвелла.
Наноневидимки
Разумеется, в том, что свет — электромагнитная волна, никто из физиков и так не сомневался. Однако детектированием магнитного поля световой волны ученые продемонстрировали способность измерять ничтожные поля, осциллирующие с гигантскими частотами, характерными для оптического диапазона.
Такой контроль свойств электромагнитного поля просто необходим, если мы всерьез настроены создавать «шапки-невидимки», сверхразрешающие линзы и прочие чудеса, которые нам обещает создание метаматериалов, работающих в оптическом диапазоне. Пока же обещания теории метаматериалов, в том числе и знаменитую шапку-невидимку, которая полностью скрыла цилиндрический объект, заставив электромагнитные волны обтекать его, удалось воплотить в жизнь лишь в радиодиапазоне и микроволнах.
Для перехода в оптический диапазон принципиальных ограничений нет, однако до сих пор ученые не могли контролировать электрические и магнитные свойства с точностью, необходимой для оптических метаматериалов. Создание таких материалов – это нанотехнологии высшего разряда. И оборудование, и методика, созданные Буррези и его коллегами – ровно то, что нужно для таких измерений.
Источник: https://www.infox.ru/news/123/29095-fiziki-dokazali-elektromagnitnuu-prirodu-sveta
