Опыт Франка и Герца

Гипотеза Бора о существовании стационарных состояний атомов (1-й постулат) и правило частот (3-й постулат) были подтверждены опытами Франка и Герца (рис. 2.2). Катод К, испускающий за счет термоэлектронной эмиссии электроны, сетчатый электрод S и анод А соединены с гальванометром, помещены в стеклянный сосуд, наполненный парами ртути при давлении Р = 0,1¸1 мм рт. ст. Между катодом и сеткой создавалась разность потенциалов, ускоряющая электроны, а между сеткой и анодом - слабое электрическое поле, замедляющее электроны. При столкновении электрона с атомами ртути возможно взаимодействие двух типов:

1) упругое взаимодействие, в результате которого энергия электронов не изменяется, изменяется только направление движения.

Рис. 2.2

При достижении электронами анода в цепи появляется электрический ток, который возрастает по мере увеличения ускоряющей разности потенциалов;

2) неупругое взаимодействие электронов с атомами ртути.

При этом энергия электронов уменьшается за счет передачи ее атомам ртути.

В соответствии с постулатами Бора атом ртути может поглотить энергию в виде порции e = hn и перейти в возбужденное состояние, занимая вышерасположенный энергетический уровень.

Первому возбужденному состоянию атома ртути соответствует энергия 4,86 эВ. При энергии менее |е|j = 4,86 эВ электроны испытывают упругое взаимодействие с атомами ртути и анодный ток возрастает. При достижении электронами энергии W_k = 4,86 эВ происходят неупругие взаимодействия их с атомами ртути, которые получают порцию энергии e = hn = 4,86 эВ и переходят из нормального состояния в возбужденное.

Такой электрон, потерявший энергию, не может преодолеть задерживающий потенциал. Поэтому при |е|j = 4,86 эВ происходит уменьшение тока (рис. 2.3). Аналогичное явление наблюдается при |е|j = 2× 4,86 эВ; |е|j = 3× 4,86 эВ; |е|j = 4× 4,86 эВ и т. д., когда электроны могут испытывать два,

Рис. 2.3

три и т. д. неупругих столкновений с атомами ртути, теряют энергию и не могут достичь анода.

При этом наблюдается скачкообразное изменение тока (рис. 2.3). Атомы паров ртути, получив порцию энергии от электронов, переходят в возбужденное состояние и занимают энергетический уровень с большей энергией.

После истечения времени t »10^-8 с атомы самопроизвольно переходят в исходное состояние, испуская квант света с длиной волны l » 254 нм (ультрафиолетовое излучение), которое было зафиксировано во время опыта.

Таким образом, теория Бора пыталась связать классические представления о наблюдаемых на опытах явлениях с положениями, противоречащими классической физике и сыграла заметную роль в становлении квантовой механики.