Визначення потенціалів іонізації атома

Непружні зіткнення електронів з атомами можуть привести до іонізації атома, тобто До розщепленню його на позитивний іон і електрон. Потенціал U, при якому енергія електронів станови-ться достатньою для іонізації атома, називається першим потенциа-лом іонізації. У загальному випадку так називають енергію звільнення першого електрона з нейтрального атома, якщо вона виражена в еВ. Енергія, необхідна для видалення другого електрона, називається другим потенціалом іонізації і т.д.

Процес іонізації атомів може бути досліджений за допомогою схе-ми, наведеної на рисунку 8. Необхідно лише знизити тиск па-рів ртуті, щоб уникнути втрат енергії на одно- і багаторазові збудження атомів. Крім того, гальмує полі Uз слід під-тримувати весь час трохи більшим, ніж прискорює U. Тог-да до анода не дійде жоден електрон; його зможуть досягти тільки позитивні іони. Якщо, як і раніше, вимірювати зависи-ність величини струму I від прискорювальної напруги U. то внача-ле струм практично відсутній. Виникнення його при 10.4 В оз-начає, що поблизу сітки З почався процес ударної іонізації атомів ртуті. Отже, за величиною прискорюючого потенціалу U. при якому спостерігається зростання струму, можна визначити пер-вий потенціал іонізації атома.

Для спостереження більш високих ступенів іонізації атома Франк і Герц змінили описану методику шляхом додавання ще однієї сітки С1 (рис. 8). Ця сітка розташовувалася поблизу катода К на відстані, малому в порівнянні з середньою довжиною вільного про-бігу електрона. У цьому випадку електрони прискорювалися на шляху КС1. потім потрапляли у вільний від поля простір R між сітка-ми С1 і С2. і там випробовували зіткнення з атомами. Якщо такі зіткнення супроводжувалися іонізацією, то на додаток до пер-первинних електронів в просторі R виникали позитивні іони і отщепленим від атомів електрони. Все елек трони виловлюючи-лись сіткою С2. а іони дифундувати крізь отвори сітки і переносилися полем Uз; до анода А.

Вимірювалася, як і раніше, залежність величини струму від прискорюючої напруги. Загальний вигляд такої залежності показаний на рис. 9.

Чітко видно, що зростання струму з напругою носить ступінчастий характер, перша з спостережуваних сходинок пов'язана, очевидно, з по-явищем однозарядних іонів. Мінімальна енергія е прискорених електронів відповідає першому потенціалу іонізації атома. Якщо енергія електронів перевищує еu. то утворюється в результаті іонізації вільний електрон має кінетичної енергією, рав-ної e (U-U1). Можна вважати, що за умови U-U1 = U1 той-який електрон буде в змозі іонізувати атом. Тоді ми вправі очікувати при U = 2U1 збільшення іонного струму, тобто початку другої сходинки на кривій рис. 9. Однак, як з'ясувалося, веро-ятность іонізації атома електронним ударом зростає разом з енер-гією електронів. Так, наприклад, ймовірність іонізації атома роті-ти при U = 60 В майже в 10 разів більше, ніж при U = 10.5 В. Пое-тому початок другої сходинки на кривій рис. 9 при U = U0 обусло-влено не повторне іонізацією атома, а освітою двозарядних іонів. За тим жесоображеніям початок третьої сходинки слід пов'язати з появою трехзарядних іонів і т.д. Отже, при досить великому ускоряющем напрузі в просторі між-ду сітками повинні одночасно бути присутнім іони з різними зарядами. Цей висновок знайшов підтвердження в масспектроскопіческіх дослідженнях.

Таким чином, описаний досвід доводить, що для появи іонів заданого заряду необхідно, щоб енергія електронів перевищувала деяке значення - потенціал іонізації.

У пропонованій роботі необхідно визначити потенціал возбу-дження і перші три потенціалу іонізації атома ксенону. З цією метою використовуються дві вимірювальні установки, зібрані по схе-ме рис. 6 і рис. 8. Величина анодного струму вимірюється мікроампер-метром M-9I, прискорює напруга регулюється потенціометром і вимірюється катодних вольтметром ВКЗ-7. На підставі вимірів будують графіки I (U). з яких знаходять шукані потенціали.

1. Білий М.У. Охріменко Б.А. Атомна фізіка.- Київ: Вища школа, - I984. -C. 55-58.

2. Шпольський Е.В. Атомна фізика. Том 1.-M.:Наука, I984, -С. 91-97.

1. Сформулюйте основні положення теорії Бора.

2. Розгляньте якісно обмін енергією між електроном і атомом в процесі пружного і непружного зіткнення.

3. Поясніть роль затримує поля в схемі дослідів Франка і Герца.

4. В чому полягає причина періодичного повторення максимумів струму на кривій рис. 7?

5. Чи можна визначити потенціал збудження атома без вимірювань анодного струму?

6. Розгляньте обмін енергією між електроном і атомом, якщо не пружні зіткнення супроводжуються: а) порушенням, б) іонізацією атома.

7. Порівняйте схеми дослідів для вивчення збудження і іонізації атомів.

8. Поясніть ступінчастий характер зростання струму на кривій рис.9.

9. Як за виміряним потенціалом збудження і іонізації атома побудувати енергетичну схему рівнів?

10.Укажите відомі Вам способи збудження і іонізації атома.

Лабораторна робота № 4