Esperimento di Frank ed Hertz

Fisica Atomica e Nucleare
LEYBOLD
Schede di fisica
LEYBOLD Schede di fisica
Struttura atomica
Esperimento di Franck-Hertz
P6.2.4.4
P6.2.4.4
Esperimento di Franck-Hertz
con il neon
Registrazione e valutazione dei risultati mediante il software
"Acquisizione Dati Universale"
Obiettivi dell’esperimento
n
n
n
n
n
Registrare la curva Franck-Hertz per il neon con il computer.
Misurare l’emissione discontinua di energia dovuta agli urti anelastici degli elettroni liberi
Interpretare i risultati della misura, nell’ipotesi che l’assorbimento di energia da parte degli atomi di neon sia di tipo discreto.
Osservare le righe dello spettro dovute agli urti degli elettroni ottenuti per eccitazione degli atomi di neon.
Associare il fenomeno della luminanza ai livelli ad alta probabilità di eccitazione.
Principio fisico
Fin dal 1914, in una loro ricerca, James Franck e Gustav
Hertz scoprirono che “gli elettroni, quando attraversano i vapori
di mercurio, subiscono una perdita di energia secondo livelli
discreti”; scoprirono, inoltre, che a tale perdita di energia
corrisponde una emissione di radiazioni ultraviolette (λ = 254
nm) da parte del mercurio. Poiché non è possibile osservare
direttamente tale emissione luminosa, per dimostrare sperimentalmente l’esistenza di questo fenomeno, si deve ricorrere ad apparecchiature complesse ed ingombranti.
1105-Sel
In un gas inerte come il neon, la situazione è completamente
diversa. L’eccitazione dovuta agli urti anelastici degli elettroni
si verifica con maggiore probabilità nel passaggio dal livello
di terra ai dieci livelli dello strato 3p ai quali corrisponde
un’energia compresa tra 18.4 eV e 19.0 eV. Per i quattro
livelli dello strato 3s, compresi tra 16.6 eV e 16.9 eV, la
probabilità di eccitazione risulta inferiore. Una diminuzione di
energia dello strato 3p rispetto a massa, con conseguente
emissione di fotoni, è possibile solo attraverso lo strato 3s.
La radiazione luminosa che si ottiene in questo processo si
trova nello spettro compreso tra il rosso ed il verde, perciò
può essere osservata ad occhio nudo.
Sopra: Rappresentazione schematica dell’emissione da parte del neon
Sotto: Andamento della corrente di collettore in funzione della
tensione di accelerazione nell’esperimento di Franck-Hertz con
il neon
1
P6.2.4.4
LEYBOLD Schede di fisica
Apparecchiature
1
1
1
1
Interfaccia CASSY pack-E
Dischetto: Acquisizione Dati Universale
Tubo di Franck-Hertz, Ne
Supporto con zoccolo e schermo
per 555 870
1 Cavo di collegamento per tubo
di Franck-Hertz, Ne
1 Alimentatore per tubo di Franck-Hertz
524 007
525 032
555 870
555 871
555 872
555 88
Si richiede inoltre:
PC con Windows 3.1 o versioni superiori
oppure Windows 95
Un tubo di vetro sotto il vuoto viene riempito con neon a
temperatura ambiente e ad una pressione di circa 10 hPa. Il
tubo di vetro contiene quattro elettrodi piani (vedere Fig. 1).
La griglia controllo G1 è posta vicinissima al catodo K; la
griglia di accelerazione G2 è posta ad una distanza maggiore
dalla griglia G1 ed in prossimità del collettore A. Per evitare
differenze di potenziale lungo la superficie K, si utilizza un
catodo a riscaldamento indiretto.
Gli elettroni, emessi dal catodo per effetto termoelettrico,
vanno a formare una carica spaziale e da questa vengono
attratti dalla tensione di controllo U1 applicata tra la griglia
G1 ed il catodo K. Se si trascura l’inevitabile perdita di elettroni che si verifica quando essi attraversano la griglia G2, la
corrente risulta praticamente indipendente dalla tensione di
accelerazione U2 applicata tra la le due griglie. Tra la griglia
G2 ed il collettore A è applicata una tensione U3 minore di
U2 che tende a frenare il movimento degli elettroni, per cui
solo quelli che hanno acquistato una sufficiente energia cinetica possono raggiungere il collettore e contribuire alla circolazione di corrente.
Nel corso di questo esperimento, si misura la corrente di
collettore IA al variare della tensione di accelerazione U2 da
0 a 80 V, mentre la tensione di controllo U1 e la tensione
frenante U3 rimangono costanti. Inizialmente la corrente IA
aumenta come in un comune tetrodo e raggiunge un valore
massimo quando, in prossimità della griglia G2, gli elettroni
hanno acquistato una energia cinetica sufficiente ad eccitare
per collisione gli atomi di neon. Dopo la collisione, poiché gli
elettroni non riescono più a vincere l’azione frenante della
tensione U3, la corrente diminuisce drasticamente.
Fig. 1: Rappresentazione schematica del tubo di Franck-Hertz, Ne
Se la tensione di accelerazione U2 aumenta, gli elettroni
raggiungono l’energia necessaria per eccitare gli atomi di
neon ad una distanza sempre minore dalla griglia G1 e
maggiore dalla griglia G2. In questo caso, dopo la prima
collisione, gli elettroni vengono accelerati nuovamente per
cui, se la tensione di accelerazione è sufficientemente elevata, essi ricevono dal campo elettrico l’energia necessaria per
eccitare altri atomi di neon. Tutto questo comporta che, in
corrispondenza di una tensione U2 maggiore della precedente, la corrente IA presenta un altro massimo.
Con tensioni di accelerazione maggiori, tra le griglie G1 e G2
si manifesta il fenomeno della luminanza sotto forma di livelli
discreti di colore rosso. Un confronto con la curva di FranckHertz mostra che ad essi corrisponde una elevata probabilità
di eccitazione.
Configurazione del sistema di misura
La fig. 2 mostra lo schema di montaggio dell’esperimento.
Fase iniziale:
– Montare il tubo di Franck-Hertz sul supporto e, dopo averlo
fissato saldamente, collegarlo alla boccola (a) dell’alimentatore mediante un cavetto.
– Collegare l’alimentatore all’interfaccia CASSY mediante il
cavo con connettore a 14 pin (b).
Collegare gli ingressi e le uscite dell’alimentatore e
dell’interfaccia CASSY nel seguente modo:
Alimentatore per tubo di Franck-Hertz
Interfaccia CASSY
Ingresso di controllo
Tensione U1
Tensione UA
Tensione U2/10
Tensione U3
Uscita X
Ingresso A
Ingresso B
Ingresso C
Ingresso D
Acquisizione Dati Universale:
I parametri ϑS, U1 ed U3 vengono predisposti manualmente
sull’unità di alimentazione, mentre la tensione U2 viene controllata tramite il PC e l’interfaccia CASSY. In questo caso,
all’ingresso di controllo dell’alimentatore viene applicata una
tensione UX a dente di sega. Per un migliore risultato della
misura, la durata della rampa e della misura deve essere di
60 s.
– In ambiente Windows, selezionare i programmi di gestione della “CASSY” e fare doppio click sull’icona “FranckHertz” oppure, dal menu File, aprire il file fh.lhw per caricare un esempio dimostrativo di misura; quindi, modificare la misura, le valutazioni e le assegnazioni delle grandezze di controllo nel seguente modo:
Menu “Channels → Inputs → Analog Input ...”
Ingresso A
Grandezza = Tensione UA, Range = 0 V ... 10 V
Ingresso C
Grandezza = Tensione UC, Range = 0 V ... 10 V
Ingresso D
Grandezza = Tensione UD, Range = 0 V ... 10 V
Menu “ Channels → Outputs → Analog Output ...”
Uscita X
Grandezza = Tensione UX,
Formula: = 8 * (shift(t/60) ( (t>60))
2
P6.2.4.4
LEYBOLD Schede di fisica
Fig. 2: Schema di montaggio dell’esperimento di Franck-Hertz con il neon
Menu “ Channels → Formula ...”
Grandezza = Tensione di controllo
Simbolo = U1, Unità = V,
Range = 0 V ... 10 V, Formula = UA
Grandezza = Tensione di accelerazione
Simbolo = U2, Unità = V,
Range = 0 V ... 80 V, Formula = 10*UC
Grandezza = Tensione frenante
Simbolo = U3, Unità = V,
Range = 0 V ... 10 V, Formula = UD
Ottimizzazione della curva di Franck-Hertz:
– Applicare una tensione di controllo U1 = 1.5 V, una
tensione frenante U3 = 5 V e selezionare il funzionamento
in modo CASSY.
– Con il tasto “Del” cancellare i dati della misura precedente.
– Premere la barra di spazio per avviare la registrazione
della curva e “Ctrl + Spazio” per arrestare la registrazione.
a) Ottimizzazione della tensione U1:
Un aumento della tensione di controllo U1, comporta una
maggiore corrente dovuta all’emissione elettronica.
Se i massimi ed i minimi della curva sono poco definiti (vedere Fig. 3c):
– Aumentare alternativamente prima la tensione frenante U3
(massimo 18 V) e successivamente la tensione di controllo
U1 fino ad ottenere l’andamento mostrato in Fig. 3e.
Se i minimi della curva vengono tagliati in corrispondenza
del limite inferiore (vedere Fig. 3d):
- Diminuire alternativamente prima la tensione frenante U3
(massimo 18 V) e successivamente la tensione di controllo
U1 fino ad ottenere l’andamento mostrato in Fig. 3e.
Esecuzione dell’esperimento
a) Curva di Franck(Hertz:
– Cancellare i dati della misura precedente con il tasto “Del”
Fig. 3: Andamenti da utilizzare per la scelta dei parametri U1 ed U3
durante l’ottimizzazione della curva di Franck-Hertz
Se la curva aumenta troppo rapidamente e la parte superiore
viene tagliata perché l’amplificatore di misura della corrente
raggiunge il livello di saturazione con valori inferiori ad U2 =
80 V (Fig. 3a):
– Diminuire U1 in modo che la curva abbia una pendenza
simile a quella mostrata in Fig. 3c.
Se la curva è troppo piatta, cioè se la corrente di collettore
IA risulta sempre inferiore a 5 nA (vedere Fig. 3b):
– Aumentare U1 in modo che la curva abbia una pendenza
simile a quella mostrata in Fig. 3c.
– Eventualmente, ottimizzare il riscaldamento del catodo
come descritto nel Foglio Istruzioni dell’alimentatore.
b) Ottimizzazione della tensione U3:
Un aumento della tensione frenante U3 rende più evidenti i
massimi e i minimi della curva, contemporaneamente si ha
una diminuzione della corrente di collettore.
3
P6.2.4.4
–
–
–
–
–
LEYBOLD Schede di fisica
Premere la barra di spazio per avviare la registrazione
della curva e “Ctrl + Spazio” per arrestare la registrazione.
Clickare sul menu “Evaluations → Set Markers → Vertical
Line” per contrassegnare il primo massimo della curva.
Clickare nuovamente sul menu “Evaluations → Set Markers
→ Text” ed inserire sulla linea il testo corrispondente.
Con lo stesso procedimento, contrassegnare gli altri
massimi.
Sul menu, selezionare l’opzione “File → Save as” e salvare i risultati di ogni misura su file di nome diverso.
b) Radiazione luminosa:
– Ruotare il selettore in posizione MAN
– Ottimizzare la tensione di accelerazione U2 in modo da
ottenere una luminanza giallo(rossa nella zona compresa
tra le griglie G1 e G2.
– Cercare, inoltre, la tensione di accelerazione con la quale
ottenere due o tre zone di luminanza e registrare tali
valori.
La zona inferiore della curva ottenuta sperimentalmente mostra che non si può ignorare completamente l’eccitazione dei
livelli dello strato 3s. Si nota, infatti, che nel caso di più collisioni, si può verificare l’eccitazione a livello 3s ed a livello 3p.
b) Radiazione luminosa:
U1 = 2.00 V
U3 = 7.94 V
Le zone di luminanza corrispondono a livelli ad alta probabilità di eccitazione. Tali zone si possono confrontare direttamente con i minimi della curva di Franck-Hertz. La loro distanza corrisponde ad una tensione di accelerazione U2 = 19
V perciò, ogni volta che U2 aumenta di circa 19 V, si genera
una nuova zona di luminanza (vedere Tabella 1).
Tabella 1: Numero n delle zone di luminanza in funzione
della tensione di accelerazione U2
Esempio di misura e relative valutazioni
a) Curva di Franck-Hertz:
U1 = 2.00 V
U3 = 7.94 V
In Fig. 4, la distanza tra due righe verticali (considerando il
punto centrale delle zone di massima luminosità) risulta
mediamente (U2 = 18.5 V. Questo valore si avvicina maggiormente all’energia necessaria per eccitare i livelli dello
strato 3p del neon (18.4 – 19.0 eV) e non all’energia dei livelli
dello strato 3s (16.6 – 16.9 eV). Pertanto, in questo secondo
caso, la probabilità di eccitazione per effetto degli urti anelastici
degli elettroni risulta notevolmente inferiore.
Informazioni supplementari
Le linee dello spettro di emissione del neon si possono osservare facilmente utilizzando, per esempio, lo spettroscopio
didattico (467 112) assegnando alla tensione di accelerazione U2 il massimo valore.
Fig. 4: Curva di Franck-Hertz per il neon (ricavata con il registratore XY)
4LEYBOLD S.p.A. Divisione Didattica - Via Trasimeno, 8 - 20128 Milano - Resp. di Divisione: (02) 27223215 - Ufficio Commerciale: (02) 27223216 - Servizio Tecnico: (02) 27223207
Fax: (02) 27203037 - E-mail: [email protected] - http://www.leybold.it