Описание установки и метода исследования

Принципиальная схема установки для возбуждения атомов приведена на рис. 4.3. Трехэлектродная лампа заполнена одним из инертных газов (гелием, неоном или аргоном) при небольшом давлении (Р ~ 1-2 мм рт. ст.). Катодом является нить накала. Величина тока, идущая по нити, может быть измерена амперметром, включенным в цепь катода. С помощью реостата R₁, включенного в цепь источника постоянного напряжения, на сетку лампы сообщается ускоряющий потенциал U_У. От источника постоянного напряжения с помощью реостата R₂ в цепи сетка – собирающий электрод создается небольшая задерживающая разность потенциалов U₃, величина которой измеряется вольтметром V₂. В цепь анода включается чувствительный измерительный прибор (микроамперметр или гальванометр).

Электроны, испускаемые раскаленной нитью, разгоняются ускоряющим полем, существующим между катодом и сеткой. Если приобретенной в ускоряющем поле энергии достаточно, чтобы преодолеть задерживающее поле, они попадают на собирающий электрод, создавая ток. По мере возрастания потенциала все большее число электронов, испытывающих лишь упругие столкновения с атомами, попадает на анод и ток I возрастает.

При некотором определенном значении ускоряющего потенциала U_У = = U₁ часть столкновений электронов с атомами становится неупругим. Это ускоряющее напряжение получило название первого потенциала возбуждения или первого критического потенциала атома. Потеряв энергию при неупругом столкновении, электрон уже не сможет преодолеть задерживающий потенциал U₃ и попадает обратно на сетку. Анодный ток уменьшится. При дальнейшем увеличении ускоряющего потенциала, когда остаточная энергия электронов, испытывающих неупругий удар, станет достаточной для преодоления тормозящего поля, анодный ток начнет снова возрастать. Когда ускоряющий потенциал U_У = 2U₁, электроны испытывают двукратные неупругие столкновения и на вольтамперной характеристике появится второй максимум (рис. 4.4).

Если бы можно было понизить давление газа, заполняющего трехэлект-родную лампу, то при соответствующем разрежении по вольтамперной характеристике можно определить второй потенциал возбуждения, соответ-ствующий переводу атома из основного состояния на второй возбужденный уровень Е₃.

Рис. 4.4. Зависимость силы тока в цепи анода от ускоряющего потенциала (лампа заполнена парами ртути)

Осуществление опытов по определению потенциалов возбуждения сталкивается с рядом трудностей. В качестве катода лампы служит нить накала. Падение потенциалов вдоль нити накала создает различие в ускоряющих потенциалах между сеткой и различными точками нити. В результате получается немоноэнергетический пучок электронов, что влияет на форму кривой и положение максимумов.

Чтобы получить устойчивую вольтамперную характеристику, необходимо добиться в лампе установившегося процесса (постоянной разности температур между катодом и другими элементами лампы, на­пример, корпусом). Чем ниже остается температура корпуса по сравнению с температурой катода, тем выше будет величина тока вольтамперной характеристики. В стеклянном баллоне лампы из-за малой теплопроводности стекла и низкого давления газа в сосуде настоящей установки при отсутствии обдува постоянная разность температур наступает через несколько минут. При этом корпус нагревается до сравнительно высокой температуры. С повышением температуры корпуса растут температура и давление газа. Следует учитывать, что при пропускании тока по катоду, газ системы не удовлетворяет условию термодинамического равновесия, а поэтому и понятия давление и температура газа следует рассматривать усредненными. Повышение давления газа в лампе и является основной причиной уменьшения величины тока, идущего в анодной цепи при фиксированных значениях ускоряющего U_у и задерживающего U_з потенциалов. Чтобы поддержать более низкое значение давления в лампе, в используемой установке применен принудительный обдув вентилятором.

На величину тока вольтамперной характеристики существенное влияние оказывает величина тока накала (температура катода). Даже небольшие колеба-ния напряжения сети, если не стабилизировать это напряжение, приводят к колебаниям тока. В предлагаемой установке источники напряжения стабилизированы.

Искажающими факторами являются возможное загрязнение лампы при ее изготовлении парами других элементов с иными потенциалами возбуждения. Все элементы схемы рис. 4.3. с вентилятором и стабилизатором смонтированы в едином блоке. Измерительные приборы и реостаты за­креплены на блоке и помечены так же, как и на рис. 4.3.

Питание установки осуществляется с помощью шнура, включаемого в сеть переменного тока напряжением 220 В. Напряжение на элементы схемы подается ключом К, закрепленным на корпусе блока. Если после подачи напряжения в течение 2 с не заработает вентилятор (не поя­вится характерный шум работы вентилятора или не усилится воздушный поток через отверстия в левой части установки), установку необходимо выключить и обратиться к преподавателю или лаборанту. Ускоряющее напряжение на установке можно изменять от 0 до 30 В, а задерживающее – от 0,1 до 4 В.