FRANCKIN JA HERTZIN KOE

Transkriptio

1 FRANCKIN JA HRTZIN KO 1 Atomin kokonaisenergian kvantittuneisuuden osoittaminen Franck ja Hertz suorittivat vuonna 1914 ensimmäisinä kokeen, jonka avulla voitiin osoittaa oikeaksi Bohrin olettamus, että atomin elektroniverhon elektronit voivat liikkua atomissa vain määrättyjä ratoja pitkin menettämättä energiaa sähkömagneettisena säteilynä. Koe osoitti toisin sanoen atomin kokonaisenergian kvantittuneisuuden. Alkuperäisen koejärjestelyn pohjalta on kehitetty ns. Franckin ja Hertzin putki, jonka avulla palataan em. tutkijoiden koetilanteeseen. Koetulokset osoittavat kokonaisenergian kvantittumisen. Lisäksi mittaustuloksista voidaan määrittää tutkitun atomin, tässä tapauksessa putken täytekaasuna käytetyn elohopean virityspotentiaali. Franckin ja Hertzin putken periaatteellinen rakenne ja sen jännitteiden kytkentä on esitetty kuvassa 1a. Umpinaisen lasiputken sisällä on neljä elektrodia: katodi (K), anodi (A) ja niiden välissä kaksi hilaa (g 1 ja g 2 ). Sähköpotentiaali putkessa on esitetty kuvassa 1b. Hila g 1 on hieman korkeammassa potentiaalissa kuin katodi, hilojen välistä potentiaalieroa voidaan säätää ( 3 V) ja anodi on hieman alemmassa potentiaalissa kuin hila g 2. Putkessa on tutkittavan kaasun atomeja pienipaineisena kaasuna. a) V K V G = V 3 V V A b) V 3 V Kuva 1. V a) Franckin ja Hertzin putken rakenne ja sen jännitteiden kytkentä. K = katodi, A = anodi, g 1, g 2 = hilat b) Sähköpotentiaali putkessa, kun katodin ja hilan g 1 välille on kytketty positiivinen ja hilan g 2 ja anodin välille negatiivinen potentiaaliero. : hilojen välinen potentiaali = V : hilojen välinen potentiaali = 3 V.

2 Hehkukatodilta irtoavat elektronit kiihdytetään aluksi katodin ja hilan g 1 välisellä kentällä, joka pidetään vakiona koko mittauksen ajan. Varsinaisessa kokeessa säädetään hilojen välistä jännitettä ja mitataan anodille pääsevää elektronivirtaa. Kun :tä kasvatetaan, kasvaa elektronien nopeus edelleen hilojen välisessä kentässä. Sen sijaan hilan g 2 ja anodin välinen vastakenttä hidastaa niitä. Näin ollen elektronien kineettistä energiaa putkessa (lähinnä hilan g 1 ja anodin välillä) voidaan säätää muuttamalla hilojen välistä jännitettä. lektronin kineettinen energia etäisyydellä katodista on, missä tarkoittaa katodin ja paikan välistä potentiaalieroa. lektronien kineettisen energian muutoksia Franckin ja Hertzin putkessa eri hilajännitteillä on pyritty selvittämään kuvan 2 avulla. Täytekaasun atomin energiatasojen suuruus ja niiden välit on esitetty kaaviomaisesti eivätkä ne siten välttämättä vastaa tarkasti todellisuutta. Viritysenergioita ei myöskään ole otettu kuvioon mukaan kuin vain kolme ( = perustila,, ja viritystiloja). a 1- d 2( 1- ) b c e po- Kuva 2. lektronien kineettinen energia Franckin ja Hertzin putkessa hilojen g 1 ja g 2 tentiaalieron eri arvoilla.

3 Kun hilajännitettä aletaan nostaa V:stä, ei elektronien kineettinen energia aluksi missään putken kohdassa ylitä kaasuatomin virittämiseen tarvittavaa pienintä energiaa. Anodilla havaittava virta kasvaa hilojen välistä jännitettä kasvatettaessa, koska yhä useammat elektronit pääsevät anodille (kuva 2a). Kun hilajännitettä kasvatetaan niin suureksi, että elektronien saama liike-energia hilojen välisessä kentässä ylittää kaasuatomin ensimmäisen virityspotentiaalin, elektroni saattaa luovuttaa liike-energiastaan osan atomin virittämiseen. Virityksen jälkeen elektronin energia alkaa taas kasvaa hilojen välisessä kentässä. Kuvan 2b tapauksessa hilajännite on niin pieni, ettei elektroni virityksen jälkeen pysty ylittämään hilan g 2 ja anodin välistä vastakenttää. Tällöin havaitaan anodivirran pienentyvän. Kuvassa 2c on esitetty tilanne, jossa hilajännitettä on nostettu niin, että elektronit saavat mahdollisen virityksen jälkeen riittävästi energiaa vastakentän ylittämiseen, jolloin anodivirta alkaa jälleen kasvaa. Jännitettä edelleen kasvatettaessa elektronit kiihtyvät ensimmäisen virityksen jälkeen uudelleen niin paljon, että ne pystyvät ennen hilalle g 2 joutumistaan virittämään toisenkin atomin (kuva 2d). Lisäksi anodivirrassa havaitaan taas pieni lasku sen hilajännitteen kohdalla, jolla elektronien energia ei riitä vastakentän ylittämiseen viimeisen virityksen jälkeen. Hilajännitettä jatkuvasti kasvatettaessa elektronit pystyvät yhä useampiin viritykseen hilojen välisessä kentässä. Kuvassa 2e on esitetty useita atomin eri viritystiloja vastaavia energioita:, ja. Kun hilajännite on riittävän suuri, jotkin elektronit voivat edellä kuvatun -tilan virittämisen sijasta ( ) virittää atomin ylempään tilaan ( ) tai ( ). Valitsemalla hilan g 2 ja anodin välinen jarrutuspotentiaali sopivasti viritystilojen energiaeroihin verrattuna voidaan tarkassa mittauksessa korkeampien viritystilojen olemassaolo havaita jälleen vähäisinä anodivirran pienentymisinä. ri viritystilojen erottumiseen Franckin ja Hertzin kokeessa vaikuttavat myös energiatasojen erilaiset virittymistodennäköisyydet, jotka johtuvat tutkittavan atomin elektronikonfiguraatiosta. Tässä kokeessa putken täytekaasuna on elohopea, jolla todennäköisintä on toiseksi alimman tilan virittyminen. Alimman viritystilan sijasta saadaankin siis toiseksi alimman tilan virityspotentiaali. lohopean perustila on. Kaikissa tapauksissa suurin osa elektroneista pääsee anodille törmäämättä kaasuatomeihin kertaakaan. Tämä todennäköisin vaihtoehto on merkitty kuvan 2 kaikkiin osiin yhtenäisenä viivana. Jos kokeessa pyritään määrittämään eri energiatasoja vastaavat virityspotentiaalit, täytyy huomioida myös katodi- ja anodimateriaalien kontaktipotentiaalit. Jos tarkoituksena on kuitenkin vain määrittää alimman tilan virityspotentiaali, se voidaan tehdä useammankertaisten viritysten avulla mittaamalla peräkkäisten virtamaksimien väli. Tällöin ei kontaktipotentiaaleja tarvitse huomioida, sillä ne vain siirtävät koko jänniteasteikkoa.

4 2 Koejärjestely Franckin ja Hertzin putken yksityiskohtainen rakenne on esitetty kuvassa 3. lektrodit on sijoitettu samankeskisille sylinteripinnoille toistensa ympärille, hehkukatodi sisimmäksi keskelle. Hilat on valmistettu tiheäsilmäisestä metalliverkosta. Kuva 3. Franckin ja Hertzin putken poikkileikkauskuva. A = anodi, K = katodi, g 1,g 2 = hilat, f = katodin lämmityshehkulanka. lektrodien lisäksi putkessa on pisara elohopeaa, joka höyrystetään lämmittämällä putkea n. 47 K:n lämpötilaan termostoidussa uunissa. lohopea muodostaa tällöin putken sisälle parin kpa:n höyrynpaineen. Lämmitysjärjestelmän kaavio on esitetty kuvassa 4. Termostointi pitää putken lämpötilan riittävän korkeana ja tasaisena kokeen ajan. Kuva 4. Franckin ja Hertzin putken lämmitysjärjestelmä. Putki (F-H) on ympäröity lämmitysvastuksella (L) ja sen viereen on asetettu lämpötila-anturi (R T ). Nämä on sijoitettu lämpöeristettyyn laatikkoon ( uuniin ). Lämpötilaa säädetään ja valvotaan termostaatilla.

5 Kuvassa 5 on esitetty kokeen kytkentäkaavio. Anodivirta mitataan herkällä galvanometrillä hilojen välille kytkettävän jännitteen funktiona. Hilan g 2 ja anodin vastajännite on noin 1,4 V ja mittaukset suoritetaan kahdella katodin ja hilan g 1 välisen jännitteen arvolla. Kuva 5. Franckin ja Hertzin kokeen kytkentä. 3 Mittaukset ja tulosten käsittely lohopean energiatiloja tarkastelemalla voidaan todeta, että koejärjestelyssä tavallisesti käytettävällä n. 1,4 V:n vastajännitteellä ei voida erottaa eri viritystiloja toisistaan. Sen vuoksi tässä työssä onkin tarkoituksena havaita elohopean todennäköisimmin virittyvän tilan olemassaolo ja määrittää sen virityspotentiaali moninkertaisen virityksen avulla. Assistentin johdolla voidaan tämän lisäksi yrittää paikallistaa muitakin viritystiloja. Tällöin käytettävän vastajännitteen on oltava,2 V. Kytke höyrystyssysteemiin 22 V:n jännite. Putken lämpiäminen mittauksia varten kestää noin 4 minuuttia. Yleensä assistentti on kytkenyt jännitteen jo etukäteen. Jännitteitä ei saa kytkeä putkeen ennen kuin termostaatti napsuu oikean lämpötilan saavuttamisen merkiksi. Muussa tapauksessa putkessa oleva nestemäinen elohopea aiheuttaa läpilyöntivaaran. Putki on myös pidettävä uunissa koko mittauksen ajan. Täydennä ja tarkista kuvan 5 mukainen kytkentä. Tarkistuta se assistentilla ja selvitä, miten se toimii ja miten suoritat mittaukset. Mittaa anodivirta :n funktiona kahdella katodin ja hilan g 1 välisen jännitteen arvolla (esim. 2,5 V ja 3,5 V). Nosta hilajännitettä,3 V:n välein V:sta 3 V:iin ja lue vastaavat anodivirran arvot. rityisesti virtamaksimien kohdalla kannattaa jänniteja virta-arvot lukea mahdollisimman tarkkaan. Piirrä jännite-virtaominaiskäyrät työselostukseen mm-paperille ja määritä virityspotentiaali kuvioista saatujen jännitteiden keskiarvona. Arvioi myös sen absoluuttinen ja suhteellinen virhe.

6 OULUN YLIOPISTO Työn suorittaja: FYSIIKAN LAITOS Mittauspäivä: / 2 klo - Valvonut assistentti: MITTAUSPÖYTÄKIRJA FRANCKIN JA HRTZIN KO Koe 1: - Koe 2: - Työn suoritetuksi tunnustaa: