Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
"~д(У~д + п0Уо) — (У іцУ a) e~2t/x a {У Я+ >h Уа) + (Уд — По У a) e~2t/x ’
где х— 1/У qa. Заметим, что формула верна как при п0< У q/a,, так и при
n0> . В последнем случае концентрация убывает, несмотря на то чго иониза-
тор непрерывно поставляет новые ионы.
§ 110. Измерение потенциала ионизации методом электронного удара
I. Чтобы из нейтрального атома или молекулы удалить электрон, требуется затрата энергии. Минимальное значение такой энергии называется энергией ионизации атома или молекулы. Энергию ионизации принято выражать в электронвольтах. Разность потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энер-
у]
502
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ГАЗАХ
[ГЛ. IX
гию, равную энергии ионизации, называется потенциалом ионизации или ионизационным потенциалом атома или молекулы. Очевидно, ионизационный потенциал равен энергии ионизации, деленной на абсолютное значение заряда электрона. Можно говорить об энергии и потенциалах ионизации не только нейтральных атомов и молекул, но и ионов, у которых удаляется еще один электрон.
2. Джеймс Франк (1882—1964) и Густав Герц (р. 1887) в ряде классических работ, начатых в 1913 г., определяли ионизационные потенциалы атомов методом электронного удара. Схема их опыта с некоторыми изменениями изображена на рис. 271, а. Исследуемый
Н $ А
К Л $г А
"П.
а)
1
-Vr
Рис. 271.
газ при давлении 0,01—1 мм рт. ст. вводится в цилиндрический стеклянный сосуд, предварительно откачанный до высокого вакуума (для удаления посторонних газов). Источником электронов служит цилиндрический платиновый катод К, нагреваемый излучением помещенной внутри него вспомогательной спирали. При таком способе нагревания вся поверхность катода находится при одном и том же потенциале. Это было бы не так и вдоль катода возникло бы падение потенциала, если бы нагревание осуществлялось непосредственно пропусканием через катод электрического тока (как было в первоначальных опытах Франка и Герца, в которых источником электронов служила платиновая проволока, нагреваемая электрическим током). Катод окружен цилиндрическими сеткой S и коллектором А, изготовленными также из платины во избежание возникновения контактной разности потенциалов. Коллектор А соединен с чувствительным электрометром Ш. Между катодом К и сеткой S прикладывается разность потенциалов Vlt ускоряющая электроны, а между S и коллектором А — несколько большая (на полвольта или вольт) разность потенциалов V2, замедляющая их. Таким образом, потенциал коллектора А оказывается ниже потен-
§ 1101
ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ИОНИЗАЦИИ
503
циала катода К на величину АУ порядка 0,5 — 1 В. Допустим, что ускоряющая разность потенциалов Ух меньше потенциала ионизации Уг. Тогда, помимо электронов, в газе не будет никаких заряженных частиц. Но кинетической энергии электронов, ускоренных разностью потенциалов Уь недостаточно, чтобы преодолеть задерживающий потенциал У2. Коллектор А заряжаться не будет, и электрометр ё° не даст отклонения. Повысим разность потенциалов Уь чтобы она стала равной потенциалу ионизации. Тогда в газе начнутся такие столкновения электронов с атомами, в результате которых образуются положительные и отрицательные ионы. Отрицательные ионы на коллектор А не попадут, так как этому препятствует задерживающий потенциал У2. Для положительных ионов тот же потенциал способствует их попаданию на коллектор. В результате коллектор А начнет заряжаться положительно, что и укажет соединенный с ним электрометр Ш. Франк и Герц думали, что разность потенциалов Ух между сеткой 5 и катодом К в этот момент и будет равна ионизационному потенциалу Уг. На самом деле это не так. Франк и Герц начали свои опыты в то время, когда Бор разрабатывал свою теорию атома. Однако в то время эта теория Франком и Герцем не была принята во внимание.
Бор указал на возможность другого механизма попадания ионов на коллектор А. Атом может находиться в определенных стационарных состояниях, характеризующихся уровнями энергии ?0, ои ... Если разность потенциалов Ух достаточна для возбуждения атома, хотя и меньше потенциала ионизации Уь то в атомах начнутся квантовые переходы с нормального уровня ё0 на вышележащие уровни ё1г Ш2, ... При обратных переходах на нормальный уровень атомы излучают свет, частота которого v определяется соотношением hv = ЬЖ, где к — постоянная Планка. Если эта частота лежит в ультрафиолетовой области спектра, то может оказаться, что свет начнет вырывать электроны с поверхности коллектора А и сетки 5 (фотоэффект). Эти электроны под действием задерживающей разности потенциалов У2 будут отбрасываться от коллектора А, и последний станет заряжаться положительно еще до того, как начнется ионизация газа.
3. Чтобы отделить эффект, вызванный ионизацией атомов, от эффекта их возбуждения, Дэвис и Гухер изменили первоначальную схему опытов Франка и Герца. Между катодом К и коллектором А они поместили две сетки и S2 (рис. 271, б). Ускоряющее напряжение Ух по-прежнему включалось между катодом К и сеткой 51; а замедляющее напряжение У2 — между сетками и S2. (На рис. 271, б стрелки указывают направления, в которых электроны ускоряются.) Между сеткой S2 и коллектором А создается разность потенциалов У8, малая по сравнению с У2. Знак этой разности Потенциалов можно менять во время опыта. Два возможных направления поля V3 указаны на рис. 271, б противоположно на-
