Опыт Франка и Герца

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытами, осуществленными немецкими учеными Франком и Герцем. В трубке (см. рисунок), заполненной парами ртути при давлении ≈ 1 мм. рт. ст., имелись три электрода: катод , сетка и анод .

Схема опыта Франка и Герца

Электроны, вылетевшие из катода вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов , приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было изменять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом создавалось электрическое поле 0,5 В, тормозившее движение электронов к аноду (метод задерживающих потенциалов). Определялась зависимость тока через гальванометр Г от разности потенциалов между катодом и сеткой U. В эксперименте была получена зависимость, изображенная на рисунке. Здесь U = 4,86 В – соответствует первому потенциалу возбуждения атома ртути.

Из опыта следует, что при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,86 В анодный ток возрастает монотонно, его значение проходит через максимум (4,86 В), затем резко уменьшается и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при 2⋅4,86 В и 3⋅4,86 В .

Такой ход кривой объясняется тем, что, согласно теории Бора, вследствие дискретности энергетических уровней атомы ртути могут воспринимать энергию лишь определенными порциями, переходя в одно из возбужденных состояний. Поэтому электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно, определенными порциями, равными разности энергии соответствующих стационарных состояний атома.

Ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее по шкале энергий на 4,86 В. Пока разность потенциалов между катодом и сеткой меньше 4,86 В, электроны, встречая на своем пути атомы ртути, испытывают с ними только упругие соударения. При = 4,86 эВ энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути всю кинетическую энергию, возбуждая переход одного из электронов атома из нормального состояния в возбужденное. Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию, уже не смогут преодолеть тормозящий потенциал и достигнуть анода. Этим и объясняется резкое падение анодного тока при = 4,86 эВ. При значениях энергии, кратных 4,86, электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения, потеряв при этом полностью свою энергию, и не достигнуть анода, т.е. должно наблюдаться резкое падение анодного тока.

Таким образом, опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями, причем 4,86 эВ – наименьшая возможная порция, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний была подтверждена экспериментом.

Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили существование у атомов дискретных энергетических уровней.