Анодная характеристика при наличии паров ртути

 

В данной лабораторной установке пары ртути внутри триода создаются испарением капли жидкой ртути при увеличении температуры специального нагревательного элемента посредством увеличения проходящего через него электрического тока. Возможны режимы работы при температуре паров ртути 20, 80 и 150 ^оС.

При 20 С концентрация паров ртути столь мала, что триод работает практически как вакуумный. Анодная характеристика при 20 С имеет вид характеристики вакуумного триода. (рис. 3.)

При наличии паров ртути внутри триода (например, паров ртути) вид анодной характеристики существенно меняется. Возникает один или несколько максимумов и минимумов прежде, чем ток выходит на насыщение (см. рис 4) Можно заметить, что расстояние между максимумами по оси напряжений одно и то же и равно для паров ртути 4,9 В. Говоря иначе, первый максимум наблюдается при ускоряющем напряжении 4,9 В, второй максимум – при = 9,8 В. Разумеется, данные значения будут наблюдаться при значении задерживающего напряжения V₃ = 0. При V₃ не равном нулю значение V₃ будет добавляться к соответствующим значениям V₁. То есть первый максимум будет наблюдаться при 4,9 В + V₃ и т.д. Причина возникновения максимумов на анодной характеристике состоит в резонансном взаимодействии электронов, ускоренных напряжением , с атомами ртути.

Взаимодействие электронов с атомами ртути бывает преимущественно в условиях данного опыта двух типов. Первый тип – это упругое рассеяние электрона на атоме. Напомним, что удар называется абсолютно упругим, если кинетическая энергия электронов, участвующих в столкновении, не изменяется, а лишь перераспределяется между ними. Напротив, в случае неупругого удара, часть первоначального запаса кинетической энергии электронов переходит в другие формы, частично идет на возбуждение внутренних степеней свободы – колебаний ядер относительно положений равновесия и переходов электронов с одних энергетических уровней на другие.

Рис.4 Анодная характеристика при наличии паров ртути.

Возвращаясь к нашему случаю, отметим, что электрон ускоренный напряжение 4,9 В, приобретает энергию в 4,9 эВ, что соответствует энергии электронного перехода DЕ = Е₂ – Е₁ в атоме ртути. При меньших ускоряющих напряжениях электронных переходов с уровня на уровень в атомах ртути не происходит, и все столкновения электронов с атомами носят упругий характер. При этом, поскольку масса атома много больше массы электрона, скорость электрона меняется только по направлению, но не меняется по величине. Это означает, что электроны практически не теряют свою энергию и зависимость тока от ускоряющего напряжения имеет характер растущей кривой.

Рассмотрим случай, когда пучок медленных электронов проходит через пары ртути, находящиеся под низким давлением. Если кинетическая энергия электронов меньше 4,9 В, то столкновение таких электронов будут упругими, т.е. кинетическая энергия поступательного движения электронов будет оставаться неизменной. Потеря электронами некоторой части кинетической энергии может быть найдено по формуле (вывод можно сделать самостоятельно):

,

где - масса электрона, - масса атома ртути, - кинетическая энергия налетающего электрона. Поскольку , то потеря кинетической энергии весьма мала. Энергия передается атому ртути и проявляется как его энергия отдачи, что схематически может быть представлено следующим образом:

Значение настолько мало, что электрон до полной остановки испытывает значительной число столкновений, двигаясь при этом по зигзагообразной траектории, достигая анода.

Однако, если кинетическая энергия электрона превышает (см. рис. 1), то возможны неупругие столкновения, сопровождающиеся передачей части его кинетической энергии атому ртути с переходом электрона в атоме ртути из основного состояния в первое возбужденное с энергией . Кинетическая энергия электрона после неупругого столкновения равна:

,

и если она ( ) меньше энергии задержки (еV_з ), то электроны не долетят до анода.

Поскольку время жизни атома в возбужденном состоянии очень мало ( ), то практически сразу же после столкновения возбужденный атом вернется в основное состояние, испустив при этом фотон с энергией и длиной волны .

При достижении резонансного значения ускоряющего напряжения большое количество электронов отдает свою энергию атомам ртути. Они уже не могут достичь анода и не участвуют в формировании тока. Поэтому за максимумом следует минимум (провал) по току.

Дальнейшее увеличение ускоряющего напряжения вновь приводит к росту тока. Тем самым при значении = 9,8 В электроны, которые один раз потеряли свою энергию в резонансном неупругом столкновении, снова набирают энергию, достаточную для повторного резонансного взаимодействия. Мы наблюдаем второй максимум.

С увеличением температуры паров ртути вид анодной характеристики изменяется. Положения максимумов по оси напряжений, разумеется, измениться не могут, однако сами величины максимумов и особенно минимумов тока претерпевают изменения. С ростом температуры они уменьшаются. Напомним, что начало характеристики не совпадает с началом координат из-за контактной разности потенциалов между катодом и сеткой, а также задерживающего напряжения , поэтому измерение резонансного потенциала следует проводить по разности: .