ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

В 1913 г. датский физик Н. Бор (1885-1962) пытаясь примирить ядерную модель атома Резерфорда с экспериментальными данными о стабильности атомов и линейчатом характере их спектров, предложил новую, тоже ядерную, теорию строения атомов, в которую он ввел без доказательства три положения (постулата), в корне противоречащие положениям классической электродинамики. Вот первые два из них:

1.Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает и не поглощает энергии. Этим состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты, по которым только и могут двигаться электроны. При движении по стационарным орбитам электроны, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитные волны

2.При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант энергии. Изучение происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией; т.е. при переходе электрона с орбиты, более удаленной от ядра -ч на более близкую к нему. Поглощение энергии сопровождается переходом атома в состояние с большей энергией. Этому соответствует переход электрона на более удаленную от ядра орбиту.

Если Е_п и Е_т - энергии атома в двух стационарных состояниях с номерами п и m, то при переходе атома из одного состояния в другое излучается или поглощается энергия

Е_п – Е_т = hv_nm (1)

(h – постоянная Планка), т.е. переходу между двумя определенными стационарными состояниями соответствует определенная частота излучаемого или поглощаемого излучения nnm.

Первый постулат в корне противоречит выводам классической электромагнитной теории, которая требует, чтобы любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучала электромагнитные волны. Однако введение этого постулата оправдывает стабильность атомов и согласуется с тем экспериментальным фактом, что при обычных условиях атомы не испускают электромагнитных волн.

Второй постулат объясняет происхождение линейчатых спектров испускания и поглощения излучения атомами, а также физический смысл целых чисел, входящих в сериальные формулы, которые определяют положения линий в спектрах.

Непосредственное экспериментальное подтверждение постулаты Бора получили в опытах, проведенных в 1913 г. немецкими физиками
Д. Франком (1882-1964) и Г. Герцем (1887-1975).

Схема опыта Франка и Герца приведена на рис. 1.

В сосуде, заполненном разреженным газом, имеется катод К, сетка С и анод А. Между катодом и сеткой прикладывают разность потенциалов U_с-к, ускоряющую электроны (энергия электронов, прошедших эту разность потенциалов, равна eU_с-к, где е - заряд электрона). Между сеткой и анодом прикладывают задерживающую разность потенциалов U_с-а и в дальнейшем поддерживают се неизменной. Значение U_с-а выбирают таким, чтобы электроны, почти полностью потерявшие энергию вследствие неупругих столкновений, не попадали на анод. В опыте измеряют зависимость анодного тока I_a от U_с-к - вольт-амперную характеристику (ВАХ) (рис.2).

Если бы сосуд был очень хорошо откачан, ВАХ соответствовала бы обычному явлению термоэлектронной эмиссии (штриховая линия на рис.2). В опытах Франка и Герца, в которых лампа заполнялась разреженными парами ртути, была получена совершенно иная вольт-амперная характеристика, показанная на рис.2 сплошной линией. Оказалось, что с увеличением ускоряющего напряжения анодный ток вначале возрастает, как и в любой вакуумной электронной лампе. Однако этот рост не является монотонным, а сопровождается резкими спадами тока каждый раз. когда ускоряющее напряжение увеличивается приблизительно на 5 В. Объяснение этой зависимости можно дать, рассмотрев поведение электронов при их столкновениями с атомами газа.

По мере увеличения ускоряющего напряжения возрастает кинетическая энергия, приобретаемая электронами в ускоряющем поле. До тех пор, пока эта энергия меньше 4.88 эВ (разности энергий между основным и первым возбужденным состояниями атомов ртути), столкновения электронов с атомами ртути носят характер упругого соударения, т.е. кинетическая энергия электронов и атомов не превращается в другие виды энергии- При этом, поскольку масса электрона много меньше массы атома, электрон «отскакивает» от атома почти без потери скорости. Как только энергия электронов в ускоряющем поле достигнет 4.88 эВ (а это произойдет при ускоряющей разности потенциалов 4.88 В. т.е. именно около 5 В), столкновения электронов с атомами приобретают характер неупругих ударов, при которых кинетическая энергия электрона почти полностью передается атому, переводя его в возбужденное состояние. Соответствующее значение ускоряющей разности потенциалов и называется первым потенциалом возбуждения атомов газа U1. В результате энергия электронов после такого взаимодействия настолько уменьшается, что они не могут преодолеть слабое задерживающее поле и не достигают анода. Анодный ток при этом резко падает. Если ускоряющую разность потенциалов увеличить еще на 5 В. то электроны, потерявшие свою энергия при первом неупругом взаимодействии с атомами, могут снова набрать кинетическую энергию около 5 эВ, испытать повторное неупругое столкновение и вновь потерять свою энергию. Этим объясняется второй спад на вольт-амперной характеристике. Третий спад соответствует электронам, которые испытали три последовательных неупругих столкновения и т.д.

Каждый раз, когда происходит неупругое столкновение, атом ртути переходит в возбужденное состояние и затем, самопроизвольно возвращаясь в основное состояние, испускает квант излучения, Спектральный анализ излучения, испускаемого парами ртути в опытах Франка и Герца, показал, что его длина волны составляет 253.6 нм, т.е. соответствует переходам атомов ртути из первого возбужденного состояния в основное состояние с разностью энергии 4.88 эВ. Этот результат убедительно доказывает существование дискретных энергетических уровней атомов.