\documentclass[a4paper]{article} \usepackage[left=2cm,right=2cm,top=2cm,bottom=3cm,bindingoffset=0cm]{geometry} \usepackage{cmap} \usepackage{mathtext} \usepackage{amssymb} \usepackage{amsmath} \usepackage[russian]{babel} \usepackage{indentfirst} \usepackage[pdftex]{graphicx} \usepackage{multirow} %\usepackage{fancyhdr} \bibliography{bib} \usepackage{graphicx,xcolor} \usepackage[cleanup]{gnuplottex} \usepackage{subcaption} \begin{document} \begin{titlepage} \centering \vspace{5cm} {\scshape\LARGE Московский физико-технический институт \par} \vspace{4cm} {\scshape\Large Лабораторная работа 5.2.1 \par} \vspace{1cm} {\huge\bfseries Эффект Франка--Герца \par} \vspace{12cm} {\LARGE Гришаев Григорий С01-119} \end{titlepage} \newpage \section{Аннотация} В данной работе проводится измерение энергии первого уровня атома гелия методом электронного возбуждения в динамическом и статическом режимах. \section{Теоретические сведения} Разреженный одноатомный газ (в нашем случае -- гелий) заполняет трёхэлектродную лампу. Электроны, испускаемые разогретым катодом, ускоряются в постоянном электрическом поле, созданным между катодом и сетчатым анодом лампы. Передвигаясь от катода к аноду, электроны сталкиваются с атомами гелия. Если энергия электрона, налетающего на атом, недостаточна для того, чтобы перевести его в возбуждённое состояние (или ионизовать), то возможны только упругие соударения, при которых электроны почти не теряют энергии, так как их масса в тысячи раз меньше массы атомов. По мере увеличения разности потенциалов между анодом и катодом энергия электронов увеличивается и, в конце концов, оказывается достаточной для возбуждения атомов. При таких -- неупругих -- столкновениях кинетическая энергия налетающего электрона передаётся одному из атомных электронов, вызывая его переход на свободный энергетический уровень (возбуждение) или совсем отрывая его от атома (ионизация). При увеличении потенциала анода ток в лампе вначале растёт, подобно тому как это происходит в вакуумном диоде (рис. 2). Однако, когда энергия электронов становится достаточной для возбуждения атомов, ток коллектора резко уменьшается. Это происходит потому, что при неупругих соударениях с атомами электроны почти полностью теряют свою энергию и не могут преодолеть задерживающего потенциала между анодом и коллектором. При дальнейшем увеличении потенциала анода ток коллектора вновь возрастает: электроны, испытавшие неупругие соударения, при дальнейшем движении к аноду успевают набрать энергию, достаточную для преодоления задерживающего потенциала. \begin{figure}[tbh] \centering \includegraphics[width=0.4\textheight]{1} \caption{Характер зависимости $I (U)$} \label{fig:pic1} \end{figure} \section{Оборудование и инструментальные погрешности} Схема экспериментальной установки отображена на рис. \ref{fig:pic2} и \ref{fig:pic3}. \begin{figure}[h!] \centering \includegraphics[height=0.4\textheight]{2} \caption{Принципиальная схема установки} \label{fig:pic2} \end{figure} \begin{figure}[h!] \centering \includegraphics[width=0.6\textheight]{3} \caption{Блок-схема экспериментальной установки} \label{fig:pic3} \end{figure} \clearpage \section{Результаты измерений и обработка данных} \subsection{Динамический метод} По результатам, полученным на экране осциллографа (рис. \ref{fig:pic4}, \ref{fig:pic5}, \ref{fig:pic6}. Везде на фото $VOLTS/DIV(x) = 5; VOLTS/DIV(Y) = 5mV$): \begin{table}[h] \centering \begin{tabular}{|l|l|l|} \hline $V_з, \;В$ & $\Delta V, \; В$ & $E,\; эВ$ \\ \hline 4 & $17\pm 2$ & $17\pm 2$ \\ \hline 6 & $16\pm 2$ & $16\pm 2$ \\ \hline 8 & $17\pm 2$ & $17\pm 2$ \\ \hline \end{tabular} \label{tab:1} \caption{Результаты динамического измерения} \end{table} По итогу, \begin{equation*}\label{key} E \approx 16.7 \pm 2 \; эВ. \end{equation*} Итоговая погрешность равна инструментальной погрешности измерений, т.к. случайная погрешность много меньше. \subsection{Статический метод} Полученные статическим методом результаты отобразим на графиках (Рис.\ref{graph_4_6_8}). \begin{table}[h] \centering \begin{tabular}{|l|l|l|} \hline $V_з, \;В$ & $\Delta V, \; В$ & $E,\; эВ$ \\ \hline 4 & 16.49 & 16.49 \\ \hline 6 & 17.34 & 17.34 \\ \hline 8 & 17.04 & 17.04 \\ \hline \end{tabular} \caption{Результат измерения статическим методом} \label{tab:my-table} \end{table} \begin{equation*}\label{key} E\approx 16.96\pm 0.25 \; эВ. \end{equation*} Оценим погрешность: \begin{equation*}\label{eq:погр} \sigma = \sqrt{\frac{1}{N(N-1)}\sum (x-\left\langle x\right\rangle )^2}, \end{equation*} Итоговая погрешность равна случайной, т.к. инструментальная чрезвычайно мала ($0.03\%$). \section{Вывод} Полученное динамическим методом значение энергии 1 уровня: \begin{equation*}\label{key} E \approx 16.7 \pm 2 \; эВ. \end{equation*} Полученное статическим методом значение энергии 1 уровня: \begin{equation*}\label{key} E\approx 16.96\pm 0.25 \; эВ. \end{equation*} Референсное значение энергиии 1 уровня: \begin{equation*}\label{key} E = 19,5 \;эВ. \end{equation*} И динамический, и статический методы являются достаточно грубыми, но второй метод в целом менее точен, так как следует заранее знать, в окрестности какой точки измерения надо проводить более тщательно. Приближенное значение, которое мы получили, является достаточно адекватным. \newpage % Фото \begin{figure}[h!] \centering \includegraphics[width=0.7\linewidth]{4V} \caption{Результат для $V_з = 4 \;В$} \label{fig:pic4} \end{figure} \begin{figure}[h!] \centering \includegraphics[width=0.7\linewidth]{6V} \caption{Результат для $V_з = 6\; В$} \label{fig:pic5} \end{figure} \begin{figure}[h!] \centering \includegraphics[width=0.7\linewidth]{8V} \caption{Результат для $V_з = 8\; В$} \label{fig:pic6} \end{figure} % Графики \begin{figure}[h!] \centering \begin{gnuplot}[terminal=epslatex] set grid set key left top set mxtics 5 set mytics 5 set xlabel 'V, В' set ylabel 'I, А' set grid mxtics mytics set autoscale plot "4.dat" title "$V_{з} = 4В$" smooth unique with linespoints, "6.dat" title "$V_{з} = 6В$" smooth unique with linespoints, "8.dat" title "$V_{з} = 8В$" smooth unique with linespoints \end{gnuplot} \caption{Результаты статического измерения для V = 4,6,8 В} \label{graph_4_6_8} \end{figure} \end{document}