Опыты Франка и Герца

Идея Бора о стационарных состояниях атомов получила экспериментальное подтверждение в том же 1913г. в опытах Джеймса Франка и Густава Герца.

Опыты Франка и Герца начались до появления теории Бора и имели целью определение потенциалов ионизации. Но эти опыты принесли экспериментальное подтверждение постулатов Бора.

В этих опытах через исследуемый газ проходили электроны ускоренные электрическим полем. Схема установки Франка и Герца показана на рис. 1. Из стеклянной колбы, содержащей катод, сетку и анод, откачивался воздух, в колбу помещалось несколько капелек ртути. Затем колба помещалась в печь. При повышении температуры упругость паров возрастала. Эксперимент проводился при достаточно большом давлении насыщенного пара: порядка 25мм.рт.ст. Между катодом и сеткой прикладывалось ускоряющее напряжение, а между сеткой и анодом создавалось слабое тормозящее поле разностью потенциалов порядка 0,5 В. В эксперименте снималась зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения.

Если бы в колбе поддерживался вакуум, то зависимость тока от ускоряющего напряжения была бы такой же, как в вакуумном диоде (рис. 2). При малых напряжениях из-за пространственного заряда ток увеличивался бы по закону трех вторых. При больших напряжениях наблюдался бы ток насыщения, не зависящий от напряжения. При наличии паров ртути или других газов, кривая имела ряд резко выраженных максимумов и минимумов тока (рис. 3). Для ртути интервал между максимумами или минимумами составлял 4,9 В. Такие максимумы и минимумы свидетельствуют о дискретном характере энергетических уровней атома.

Действительно, столкновения электрона с атомом могут быть как упругими, так и неупругими. При упругих столкновениях внутреннее состояние атома не изменяется, а поэтому кинетическая энергия электрона не тратится на его возбуждение. Она может частично передаваться атому, но доля эта чрезвычайно мала, поскольку масса атома ртути почти в 400000 раз больше массы электрона. Электрон при столкновении с атомом отражается от него как от неподвижной стенки. Пока энергия электрона меньше разности энергий первого возбужденного и основного состояний атома ртути столкновения происходят упруго, и электрон способен преодолеть слабое тормозящее электрическое поле между сеткой и анодом. Поэтому электрический ток плавно увеличивается с ростом ускоряющего напряжения. Но как только энергия электрона станет равной разности этих состояний ситуация резко изменится. Столкновения станут неупругими, и после передачи энергии атому электрон остановится, и преодолеть тормозящее поле между сеткой и анодом не сможет. Чем больше электронов совершат неупругие столкновения, тем сильнее уменьшается анодный ток. Если бы все электроны имели одинаковую скорость при вылете из катода, и каждый электрон совершил неупругое столкновение, то анодный ток обратился бы в нуль при выполнении равенства

.

Реально же электроны при вылете из катода имеют различные значения кинетической энергии. Поэтому равенство энергии электрона энергии возбуждения атома для разных электронов наступает при разных напряжениях. Поэтому кривая сглаживается. Кроме того, часть электронов дойдет до анода не испытав неупругого столкновения. Это и объясняет, почему сила тока не уменьшается до нуля.

Если остаток энергии у электрона после столкновения достаточно большой, то он способен преодолеть тормозящее поле и попасть на анод. Поэтому с ростом ускоряющего напряжения сила тока снова возрастает.

При дальнейшем возрастании напряжения электрон может второй раз набрать энергию достаточную для возбуждения атома. При втором неупругом столкновении с атомом ртути он также потеряет свою энергию. Это приводит к появлению второго максимума и минимума на вольтамперной характеристике.

Наличие контактной разности потенциалов между катодом и сеткой несколько искажает показания вольтметра, смещая кривую вправо или влево. Однако, она не влияет на расстояние между максимумами (минимумами) на вольтамперной характеристике.

Для наблюдения Если упругость паров ртути не велика, то неупругого столкновения с возбуждением первого уровня может не произойти. Электрон будет ускоряться и увеличивать свою энергию, пока она не достигнет значения, достаточного для возбуждения второго энергетического уровня , третьего уровня и т.д.

Ускоряющие напряжения, соответствующие этим уровням, называются потенциалами возбуждения. На вольтамперной характеристике при этом появятся максимумы и минимумы, соответствующие этим потенциалам.

Однако в плотных газах этого не происходит. Дело в том, что для накопления нужной энергии электрон без неупругих столкновений должен пройти в ускоряющем поле расстояние, большое по сравнению с длиной свободного пробега между двумя последовательными неупругими столкновениями. Это условие в плотных газах не выполняется. Возбуждение более высоких энергетических уровней возможно при более низком давлении газа и более совершенной аппаратуре.

Чтобы повысить разрешающую способность установки и наблюдать максимумы, соответствующие более высоким энергетическим уровням, использовалась лампа с двумя сетками. Ускоряющее напряжение прикладывалось между катодом и первой сеткой, между сетками прикладывалось небольшое ускоряющее напряжение порядка , между второй сеткой и анодом прикладывалось тормозящее напряжение. Расстояние между катодом и первой сеткой было сделано минимальным, а между сетками достаточно большим. Этим достигалось то, что в первой области электроны ускорялись и не испытывали неупругих столкновений так как давление паров ртути снизили до . неупругие столкновения происходили в пространстве между сетками. Электрон, передавший свою энергию атому, не может набрать энергию достаточную для преодоления тормозящего поля, так как находится в слабом поле. Таким образом, удалось измерить второй потенциал возбуждения.

Опыты Франка и Герца подтверждают также и второй постулат Бора, т.е. правило частот. При ускоряющем напряжении меньше первого потенциала возбуждения 4,9 В пары ртути не светятся (нет возбужденных атомов). При повышении напряжения до 4,9 В появляются первые возбужденные атомы. При переходе этих атомов в основное состояние наблюдается свечение, состоящее из одной резонансной ультрафиолетовой линии с длиной волны . По длине волны резонансного излучения первый потенциал возбуждения можно определить значительно точнее из соотношения

.

Вычисления дают значение

Дата добавления: 2014-11-29