Lampa Francka-Hertza (rtęć) - Stanowisko Dydaktyczne 1023095 (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.
Doświadczenie Francka-Hertza z użyciem rtęci.
Kwantowanie energii, a także generowanie, rejestracja i analiza widm oraz związane z tym eksperymentalne potwierdzanie modeli, stanowią ważne elementy większości programów nauczania na całym świecie. Znany eksperyment Jamesa Francka i Gustava Hertza z 1913 roku ma fundamentalne znaczenie dla wykrywania dyskretnych stanów energetycznych w atomach. Eksperyment Francka-Hertza z rtęcią bada skwantowaną energię wyjściową swobodnych elektronów w niesprężystych zderzeniach z atomami rtęci. Energia wzbudzenia linii rezonansowej rtęci (61S0 – 63P1) wynosi 4,9 eV.
Lampa.
Lampa Francka-Hertza to lampa elektronowa o wysokiej próżni, wypełniona rtęcią i płasko-równoległym układem elektrod, składającym się z pośrednio ogrzewanej katody tlenkowej z otworem szpilkowym, anody siatkowej i elektrody zbiorczej. Aby uzyskać wysokie prawdopodobieństwo zderzenia, odległość między katodą a anodą jest duża (8 mm) w porównaniu ze średnią długością drogi swobodnej w atmosferze Hg (w temperaturze ok. 180°C). Natomiast odległość między anodą a elektrodą zbiorczą jest mała.
Piec grzewczy.
Aby osiągnąć prężność par rtęci wymaganą dla wystarczającego poziomu prawdopodobieństwa zderzenia elektronów z atomami rtęci, lampa elektronowa musi być ogrzewana w piecu. Lampa Francka-Hertza jest umieszczona tak, aby cała lampa, łącznie z przewodami łączącymi, osiągnęła stałą, jednorodną temperaturę. Jest to konieczne, ponieważ gęstość pary rtęci zawsze podąża za najzimniejszą częścią lampy. Piec elektryczny z płynną regulacją temperatury jest wyposażony w cyfrowy wyświetlacz temperatury zadanej i rzeczywistej. Pomiar i regulacja temperatury odbywa się za pomocą zintegrowanego mikrokontrolera i czujnika Pt100.
Obudowa.
Rura i grzałka umieszczone są w malowanej metalowej obudowie z dwoma okienkami kontrolnymi. Obudowa wyposażona jest w otwór z uchwytem sprężynowym na termometr oraz izolowany termicznie uchwyt do przenoszenia.
Dane techniczne:
Lampa Francka-Hertza
- Grzanie: 4 do 9 V AC/DC
- Napięcie sieciowe: 0 do 80 V
- Napięcie przeciwne: ok. 1,5 V
- Temperatura pracy: ok. 160°C - 200°C
- Wymiary: ok. 130 mm x 26 mm Ø
- Masa: ok. 380 g
Grzałka/ Obudowa
- Napięcie zasilania sieciowego: 230 V (50/60 Hz)
- Otwór w przedniej części: ok. 230 mm x 160 mm
- Moc grzania: 800 W
- Maksymalna temperatura: 300°C
- Stałość temperatury: ok. ±1°C
- Wymiary: ok. 335 mm x 180 mm x 165 mm
- Masa: ok. 5,6 kg
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