Lampa Francka-Hertza (neon) - Stanowisko Dydaktyczne 8000714 (fizyka kwantowa)
Lampa Francka-Hertza (ang. Franck-Hertz tube) to specjalistyczna lampa próżniowa, używana do demonstracji kwantyzacji poziomów energetycznych w atomach, potwierdzając model Bohra; zawiera gaz (np. rtęć lub neon), trzy elektrody (katodę, siatkę, anodę), a elektrony z katody są przyspieszane do siatki, zderzają się niesprężyście z atomami gazu, wzbudzając je do określonych energii, co obserwuje się jako spadki prądu przy konkretnych napięciach i emisję światła.
Zagadnienia Edukacyjne:
- Rejestracja i ocena krzywej Francka-Hertza dla neonu, obserwacja emisji światła.
- Porównanie rozkładu maksymalnych wartości prądu
- z energiami wzbudzenia atomów neonu.
- Obserwacja światła emitowanego przez wzbudzone atomy neonu.
- Określenie liczby poziomów emisji światła dla różnych napięć przyspieszających.
Opis Doświadczenia:
Doświadczenie Francka-Hertza dla neonu polega na obserwacji, jak przenoszona jest energia z elektronów w wyniku niesprężystego zderzenia podczas przechodzenia przez gaz neonowy. Przenoszenie energii zachodzi w dyskretnych krokach odpowiadających wzbudzeniu przez zderzenie różnych poziomów energetycznych w atomach neonu. Wzbudzone atomy emitują następnie światło widzialne.
Obserwacja i interpretacja:
Szklana rurka próżniowa, wypełniona neonem do ciśnienia 10 hPa, zawiera rozgrzaną katodę C, siatkę kontrolną S, siatkę G i elektrodę tarczową A, ułożone w tej kolejności. Elektrony są emitowane z katody i przyspieszane napięciem U w kierunku siatki. Po przejściu przez siatkę docierają do celu i w ten sposób wpływają na wartość prądu docelowego I, jeśli ich energia kinetyczna jest wystarczająca do pokonania napięcia zwalniającego UGA między siatką a celem.
Charakterystyka I(U) ma podobny przebieg jak w oryginalnym eksperymencie Francka-Hertza z użyciem rtęci gazowej, ale tym razem odstępy między minimami, w których prąd spada prawie do zera dla określonego napięcia U = U1, odpowiadające osiągnięciu przez elektrony energii kinetycznej wystarczającej do wzbudzenia atomu neonu poprzez zderzenie niesprężyste tuż przed dotarciem do siatki, wynoszą około 19 V. Jednocześnie możliwe jest zaobserwowanie słabego pomarańczowego światła w pobliżu siatki, ponieważ przejście energetyczne atomu neonu do stanu bazowego powoduje emisję takiego światła. Strefa oświetlenia przesuwa się w kierunku katody wraz ze wzrostem napięcia U, a prąd docelowy I ponownie wzrasta. Przy wyższym napięciu U = U2 prąd docelowy również drastycznie spada i można zaobserwować dwie strefy oświetlenia. W tym przypadku elektrony mogą zachować wystarczającą energię po początkowym zderzeniu, aby wzbudzić drugi atom neonu. Wraz z dalszym wzrostem napięcia można zaobserwować kolejne minima w prądzie docelowym wraz z kolejnymi strefami oświetlenia.
Jak działa?
- Katoda (podgrzewana) emituje elektrony, które są przyspieszane przez dodatnie napięcie do siatki (grid).
- Niesprężyste zderzenia: Gdy energia przyspieszanych elektronów osiągnie określoną wartość (np. 4.9 eV dla rtęci, 16.6 eV dla neonu), elektrony mogą przekazać tę energię atomom gazu, wzbudzając je do wyższych poziomów energetycznych.
- Spadki prądu: Wzbudzone atomy absorbują energię, a elektrony w zderzeniu tracą energię, co powoduje spadek prądu na anodzie (kolektorze), gdy napięcie przyspieszające wzrasta.
- Emisja światła: Wzbudzone atomy powracają do stanu podstawowego, emitując fotony o charakterystycznych długościach fal (np. UV dla rtęci, widzialne dla neonu).
Dlaczego jest ważna?
- Dowód kwantyzacji: Eksperyment pokazał, że atomy nie mogą posiadać dowolnej energii, ale tylko dyskretne, kwantowe poziomy, co było fundamentalnym potwierdzeniem teorii kwantowej.
- Nagroda Nobla: James Franck i Gustav Hertz otrzymali za ten eksperyment Nagrodę Nobla z Fizyki w 1925 roku.
- Zastosowanie: Lampy te są używane w laboratoriach do demonstracji zasad fizyki kwantowej.
Stanowisko Dydaktyczne, Stanowiska Laboratoryjne, Zestawy Edukacyjne Fizyka Doświadczalna
Katalog Pomocy Dydaktycznych Fizyka
więcej informacji - kliknij na obrazek