Determinarea energiei de excitare prin metoda Franck-Hertz

Determinarea energiei de excitare prin metoda Franck-Hertz

In 1914, James Franck si Gustav Hertz au pus la punct un experiment (1925  Premiul Nobel) care demonstreaza existenta starilor excitate ale atomului (Fig.1), demonstrand ceea ce prezicea teoria cuantica si anume faptul ca electronii ocupa in atom doar stari energetice discrete, cuantificate.

O metoda de obtinere a starii excitate a unui atom consta in ciocnirea neelastica a acestuia cu electronii.

Principiul metodei

Tubul din experimentul Frank-Hertz este o trioda (tiratron) in care se gaseste substanta experimentala (atomii) sub forma de vapori (Fig.2). Electronii emisi de filament sunt accelerati cu ajutorul unei tensiuni de accelerare, U_GK, intre catodul si grila tiratronului. Electrodul A este mentinut  la un potential negativ in raport cu grila G incat apare un slab camp de franare care nu permite electronilor cu energie cinetica mica (electroni care au suferit ciocniri neelastice) sa ajunga la anod. Acest fapt determina ca variatiile curentului anodic sa fie mai vizibile.

Se masoara, asadar, curentul anodic I in functie de tensiunea dintre catod si grila. Atunci cand tensiunea creste, energia electronilor  () devine din ce in ce mai mare si astfel acestia pot invinge tensiunea de franare U_GA si ajung la electrodul A. Se constata cresterea, in prima etapa, a curentului anodic masurat de ampermetru.

Fig.1

Crescand in continuare tensiunea, energia cinetica a electronilor ajunge la valoarea la care, poate excita atomul, acesta trecand din starea fundamentala in prima stare excitata permisa. Datorita ciocnirilor neelastice prin care electronii isi pierd energia, numarul electronilor ce mai ajung la electrodul A scade.

In  continuare, atunci cand U_GK ajunge la dublul tensiunii la care a avut loc prima excitare, este posibil ca electronii sa excite atomii de Ar pierzandu-si energia, cauzand o noua scadere a curentului anodic. In acest fel este posibila obtinerea mai multor scaderi succesive ale curentului anodic si deci excitari succesive ale atomului pe primul nivel de excitare.

Fig.2

In experiment gazul de lucru este argonul ceea ce determina obtinerea de date experimentale concludente, date ce pot fi inregistrate atat manual cat si automatizat.

Pentru a ridica manual curba the Franck-Hertz I = f (U_GK), tensiunea U_GK se citeste pe voltmetru, iar intensitatea curentului anodic cu ampermetrul din circuit. In general, se pot obtine cateva maxime si minime ale curentului, dar in cazul instalatiei noastre vom pune in evidenta doar primul maxim si primul minim.

Varianta automata permite obtinerea curbei Franck-Hertz pe ecranul unui osciloscop ce lucreaza in X-Y sau captarea de catre un sistem interfata - computer, dar acest lucru nu este momentan posibil in laboratorul nostru.

Fig, 3

Modul de lucru

Asadar, atunci cand curentul anodic scade, valorile tensiunii de accelerare reprezinta o masura a energiei necesare unui atom sa sufere fenomenul de excitare.

Se modifica tensiunea din 1V in 1V sau din 2 in 2V si se constata ca are loc cate o scadere semnificativa a curentului anodic de cate ori potentialul grilei creste cu aproximativ  12V, indicand in felul acesta ca energia transferata atomilor are loc doar in "cuante" de 12eV. Din graficul,

I = f (U_GK), ramane sa se determine la ce tensiune se obtine maximul curentului anodic.

Datorita incalzirii filamentului in curent alternativ se vor adauga la rezultatele obtinute urmatoarele corectii: U =  volt ( 2,5 - tensiunea eficace de incalzire a filamentului).

Cunoscand potentialul de excitare, se afla energia de excitare = e U₁ pentru prima stare excitata a argonului. Apoi, folosind energia de excitare se afla frecventa si lungimea de unda a undei electromagnetice emise la dezexcitarea atomului, adica trecerea acestuia din prima stare de excitare in starea fundamentala, , h fiind constanta lui Planck, .

Tabelul 1

www.svslabs.com/pro1/2b.pdf

hyperphysics, C.R.Nave Georgia State University

https://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html