Опыты Франка и Герца. Экспериментальное доказательство дискретности атомных состояний. Реферат на тему «Опыты Франка и Герца В чем сущность опытов франка и герца

В 1912-1914 гг. немецкие физики Франк и Герц проводили опыты по изучению столкновений электронов с атомами газа. Первоначально они, еще не зная теории Бора, ставили перед собой задачу об измерении потенциалов ионизации некоторых атомов, в частности атомов ртути.

Известно, что столкновение двух тел может быть упругим или неупругим. При упругом столкновении внутренняя энергия сталкивающихся тел не изменяется. При неупругом происходит ее изменение. Если электрон налетает на покоящийся атом и происходит упругое столкновение, то атом практически не испытывает отдачи, так как он намного тяжелее электрона. В этом случае электрон отскакивает почти как от неподвижной стенки, изменяется лишь направление его движения. При неупругом соударении электрон теряет существенную часть своей кинетической энергии, которая поглощается атомом. Таким образом, наблюдая потери энергии электронов при их столкновениях с атомами, можно изучать процесс поглощения энергии.

В первых опытах Франк и Герц использовали в своей установке только одну сетку. В усовершенствованной установке (рис. 1.10) источником электронов служила нагреваемая электрическим током нить К. Электроны ускорялись при наложении на сетку S { положительного напряжения, которое можно было изменять. Энергия ускоренных электронов определяется потенциалом сетки К(В):

Сетка S 2 имела небольшой (около 0,5 В) положительный (задерживающий) потенциал. В пространстве между сетками находились пары исследуемых атомов, с которыми сталкивались электроны. Прошедшие сквозь сетку S 2 электроны попадали далее на коллектор/!, который через гальванометр G соединялся с землей. Первые опыты Франк и Герц проводили с парами ртути. Чтобы столкновения электронов с атомами происходили достаточно часто, давление паров ртути поддерживали довольно большим (около 133 Па). Если бы в сосуде отсутствовали пары ртути, то зависимость тока на коллекторе (/) от ускоряющего напряжения имела бы известный вид вольт-амперной характеристики вакуумной лампы (рис. 1.11). Опыты Франка и Герца с ртутными парами в сосуде показали, что вольт- амперная характеристика имеет ряд резко выраженных максимумов и минимумов (рис. 1.12).

Первый максимум возникает при 4,9 В (с учетом контактной разности потенциалов). Расстояние между соседними максимумами также равно 4,9 В. Франк и Герц вначале считали, что это и есть потенциал ионизации атомов ртути. Однако в вакуумной трубке, заполненной парами ртути, не наблюдались положительные ионы, которые должны были бы образоваться при ионизации. Обсуждение результатов опыта привело к пониманию того, что на самом деле был измерен не потенциал ионизации, а потенциал возбуждения атомов ртути. Объяснение этого результата таково. При достаточно малой энергии электронов (при малом ускоряющем напряжении) их столкновения с атомами носят упругий характер, поэтому с увеличением напряжения ток изменяется так же, как в случае вакуумной лампы. При достижении потенциала 4,9 В столкновения электронов с атомами становятся неупругими, т. е. электрон теряет свою энергию, а атом ее поглощает. Это вытекает из того, что при дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения ток резко падает. Значит, электроны, отдав свою энергию атомам, не в состоянии преодолеть тормозящий промежуток между коллектором и сеткой S 2 . Роль этой сетки и состоит в том, чтобы она вылавливала электроны, которые потеряли свою энергию при неупругих соударениях. При этом существенное значение имеет изменение составляющей скорости электрона в направлении тормозящего поля. То, что ток не падает скачком до нуля, означает, что имеется еще достаточное число электронов с соответствующей продольной составляющей скорости, способных преодолеть тормозящее поле. Если энергия электронов заметно превосходит 4,9 эВ, то после неупругого соударения они обладают еще достаточной энергией, чтобы достичь коллектора, и ток опять начинает возрастать. При достижении энергии 9,8 эВ электрон может дважды испытать неупругие соударения с атомами. Тогда ток снова резко падает и т. д. Возникает периодическое повторение максимумов. Таким образом, атомы ртути поглощают энергию строго определенного значения - 4,9 эВ. Это значит, что у атома существуют стационарные состояния с дискретным набором значений энергии. Действительно, если?, - энергия атома ртути в основном состоянии, то, согласно опытам Франка и Герца, в следующем возбужденном состоянии энергия Е 2 = Е { + 4,9. Потенциал 4,9 В называют первым критическим потенциалом , или резонансным потенциалом , для атома ртути. Критические потенциалы существуют, конечно, и для других атомов. Например, для натрия он равен 2,12 В, для гелия - 21 В и т. д. Результаты опытов Франка и Герца рассматривают как подтверждение первого постулата Бора.

Опыты Франка и Герца подтвердили также второй постулат Бора о том, что атом излучает лишь при переходах из одного состояния в другое. При бомбардировке ртутных паров электронами атомы ртути переходят в возбужденное состояние с энергией Е 2 . Согласно Бору атом должен переходить в

основное состояние с испусканием фотона с энергией Е 2 - ?, =4,9 эВ.

Такому фотону соответствует длина волны, относящаяся к ультрафиолетовой части спектра:

Рис. 1.13

Таким образом, при неупругих столкновениях электронов с атомами ртути должно возникать излучение с длиной волны около 2520-10“ 8 см. Опыты подтвердили существование излучения с длиной волны Х=2537*Ю” 8 см. Различие в ожидаемой и наблюдаемой длинах волн обусловлено недостаточно точным определением критического потенциала. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 1.13. Сосуд сделан из кварца, его дно и оба отростка заполнены ртутью. С помощью круговой газовой горелки прибор нагревали до температуры 150 °С. Источником электронов была платиновая проволока Z), накаливаемая электрическим током. Платиновая сетка N через гальванометр подсоединена к земле. Между N и D приложена ускоряющая разность потенциалов. Излучение паров ртути исследовали с помощью спектрографа для ультрафиолета.

Отождествление наблюдаемой на фотографии линии 2537-10 -8 см проводили при сравнении полученного спектра со спектром дугового разряда ртути на той же фотографии. Было показано, что эта линия возникает лишь при ускоряющем потенциале, большем критического потенциала для ртути. Например, при напряжении 4 В линия не наблюдается, но при 6 В она отчетливо видна.

Существование для атома ртути уровня энергии, отстоящего примерно на 4,9 эВ от основного уровня, доказывается также в опытах с оптическим возбуждением. Если достаточно разреженные пары ртути освещать монохроматическим излучением с длиной волны ~ 2537-КГ 8 см, то испускаемое этими парами излучение имеет ту же длину волны. Таким образом, при оптическом возбуждении атом испускает квант той же длины волны. Спектральные линии, соответствующие переходам между основным и первым возбужденным уровнями энергии атома, называют резонансными линиями.

Предыдущие опыты демонстрировали существование первого возбужденного уровня энергии. Между тем, как это уже следует из рассмотренного ранее спектра атома водорода, существуют и другие, более высокие, ступени возбуждения атома. Экспериментальные трудности их обнаружения часто связаны с тем, что соответствующие максимумы слабо выражены и мало отделены друг от друга. Герц предложил видоизменить первоначальную установку так, что оказалось возможным устранить эти трудности (рис. 1.14). Электроны, испускаемые нитью накала К , ускорялись разностью потенциалов между К и сеткой 5, и попадали в пространство Г, в котором находились пары исследуемых атомов. Это пространство окружено цилиндрической металлической сеткой S 2 . Коллектор электронов А представлял собой сплошной металлический цилиндр, который через гальванометр (/соединен с землей. При каждом значении ускоряющего напряжения ток на коллекторе измеряли дважды. Один раз - при отсутствии поля между Л и S 2 , другой - при задерживающем потенциале около +0,2 В на сетке 5 2 . В первом случае на коллектор попадали все электроны, просочившиеся через сетку из пространства F. Измеряли ток электронов /,. Во втором случае сетка вылавливала электроны, потерявшие энергию при неупругих соударениях с атомами. Измеряли ток / 2 . Очевидно, величина (/,-/2)//, будет очень мала, если в области Г происходят упругие столкновения электронов с атомами, так как измеряемые токи примерно одинаковы. Если же происходят неупругие столкновения, то эта величина будет иметь резкий максимум, так как ток / 2 сильно упадет. Соответствующее этому максимуму ускоряющее напряжение и будет критическим потенциалом.

На более усовершенствованной установке по методу Герца можно измерить 1 также уровни энергии с потенциалами возбуждения 5,46 и 6,7 В. Кроме того, можно наблюдать множественное возбуждение уровня с энергией 4,89 эВ - 18 максимумов;

(в первых опытах Франка и Герца было 3-4 максимума).

Современные эксперименты по определению уровней энергии атомов проводят на установках - спектрометрах (рис. 1.15), которые различаются конструктивными особенностями. Электронная пушка - ЭП - устройство для получения моноэнергетического электронного пучка. Источником электронов в ней обычно служит нагреваемая током нить. Эмитируемые нитью электроны, имеющие небольшие энергии (0...0,3 эВ), ускоряются далее сеткой с положительным потенциалом, которым определяется их энергия. Для получения направленного пучка электронов, прошедших сквозь ускоряющую сетку, их пропускают через диафрагмы со щелями или отверстиями. Если необходимо иметь моноэнергетический пучок, то их «фильтруют» с помощью специальных электрических и магнитных линз, которые фокусируют электроны нужной энергии на входную диафрагму камеры столкновений. Естественно, что при фокусировке ток электронов уменьшается. Для предотвращения столкновений электронов с атомами в электронной пушке и системе фильтрации создают вакуум.

Камера столкновений - КС - содержит строго определенный объем исследуемого разреженного газа или паров при достаточно низком давлении (обычно около 1,33 Па). В этом случае сводится до минимума вероятность повторных соударений электронов, движущихся через камеру. В других частях установки давление должно быть гораздо ниже, поэтому газ постоянно выходит через все отверстия в камере.

Анализатор электронов - АЭ - представляет собой устройство, через которое могут проходить электроны со строго определенной энергией. Их число (распределение по энергиям) регистрирует детектор Д. Распределение электронов по энергиям имеет максимумы, которые соответствуют уровням возбуждения атомов. Например, при энергии электронов 3,5 эВ, сталкивающихся с атомами натрия, наблюдается следующее распределение электронов по энергиям (рис. 1.16). Энергетический спектр электронов, прошедших через камеру столкновений, имеет максимумы при 3,5; 1,4 и 0,3 эВ. Разности 3,5-1,4 = 2,1 эВ и 3,5-0,3 = 3,2 эВ определяют критические потенциалы возбуждения атома натрия. Таким образом, его первый возбужденный уровень отстоит от основного на 2,1 эВ, второй - на 3,2 эВ. С увеличением энергии электронов возбуждаются более высокие уровни энергии атомов. Если энергия электронов меньше

первого критического потенциала, то происходят упругие столкновения электронов с атомами. Это находится в полном согласии с опытами Франка и Герца. Если критический потенциал регистрируется по началу испускания света некоторой частоты, то его часто называют потенциалом излучения. Измерение потенциалов излучения позволяет определять уровни энергии атома точнее, чем при анализе энергетического распределения электронов после их столкновений с атомами.

При достаточно большой энергии бомбардирующих электронов в камере столкновений возникают положительные ионы. Их можно регистрировать, если вставить в стенку камеры отрицательно заряженную сетку и анализировать проходящие сквозь нее частицы методом масс-спектрометрии. При этом наблюдается также увеличение потока электронов, выходящих из камеры. Пороговое значение энергии электронов, выраженное в вольтах ускоряющего напряжения, называют потенциалом ионизации данного элемента. Это та минимальная энергия, которую необходимо передать атому для того, чтобы образовались полностью изолированные друг от друга электрон и однократно ионизованный атом.

Энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов и максимальна для благородных газов (рис. 1.17). Если атому сообщена энергия Е у превышающая энергию ионизации то образовавшийся при этом электрон обладает кинетической энергией Е е = Е- У. Эта энергия может принимать любые значения в сплошном спектре, потому что электрон оторван от атома. Когда из многоэлектронного атома последовательно удаляются электроны, то заряд остающейся части (атомного остатка) также последовательно возрастает. Это

значит, что возрастает притяжение электронов атомным остатком. Поэтому для последовательного удаления электронов из атома и получения многозарядных ионов необходимо затрачивать все большую энергию. Если минимальная энергия для удаления первого электрона равна /, второго электрона - У 2 и т. д., то /, Z.

Если ионизация атома происходит при поглощении фотона, то этот процесс называется фотоэффектом для отдельного атома, или фотоионизацией. Фотоионизация происходит по схеме:

где Л - атом в некотором состоянии /"; Р - фотон с энергией, превосходящей энергию ионизации атома в этом состоянии; А + - однократно ионизованный атом; е - свободный электрон с энергией Е е > 0 .

Наряду с ионизацией атома существует обратный процесс - рекомбинация. Этот процесс происходит при захвате свободного электрона однозарядным положительным ионом. В результате образуется нейтральный атом. Излишек энергии системы электрон - ион высвечивается в виде фотона или каскада фотонов, если образовавшийся атом находится в возбужденном состоянии. Энергия излучаемого фотона равна:

При условии E e = 0 определяется пороговая частота (или длина волны) ионизирующего излучения.

Системы уровней энергии и спектры нейтрального и ионизованного атомов, конечно, отличаются друг от друга. Например, уровни энергии и спектр атома гелия не имеют ничего общего с уровнями энергии и спектром однократно ионизованного атома гелия, который относится к водородоподобным атомам. Однако существует правило: спектр и уровни энергии однократно ионизованного атома с номером Z+ 1, двухкратно ионизованного атома с номером Z+ 2 и т. д. аналогичны спектру и уровням энергии атома с порядковым номером Z

Анализатор электронов основан на законах движения заряженных частиц в электромагнитных полях. Рассмотрим простейшие методы монохро- матизации заряженных частиц (фильтры скоростей).

Скрещенные электростатическое и магнитное поля. На рис. 1.18 изображены пластины конденсатора А, В, между которыми создается электростатическое поле с напряженностью F. Магнитное поле с напряженностью Н направлено перпендикулярно плоскости рисунка к нам. На положительно заряженную частицу с зарядом q электрическое поле действует с силой f q =qF, а магнитное поле - с противоположно направленной силой

f m = qvH , где v - скорость частицы. Очевидно, частица пройдет через щель диафрагмы D, если только f q =f m > т. е. при заданных напряженностях полей скорость частицы должна быть равна v= F/Н. Если скорость не равна этой величине, то частица через щель не пройдет. В этом случае она либо попадет на диафрагму, либо притянется к одной из пластин конденсатора.

• Цилиндрический конденсатор (рис. 1.19). При движении частицы между обкладками цилиндрического конденсатора с напряженностью F =
• 2 jw/ dr

центростремительная сила равна ПШ-- -q^- . Отсюда после интегриро-

Рис. 1.18

Рис. 1.19

вания следует V -Ш. п л ., где г, г, - соответственно радиус внешней и ‘ * г /

внутренней обкладки конденсатора. Таким образом, при заданной разности потенциалов через конденсатор могут пройти лишь частицы с вполне определенной энергией. Если на входе (щель D) имеется пучок частиц с некоторым разбросом по энергиям, то на выходе через шель D ] пройдут частицы с меньшим разбросом. При определенном угле между пластинами со щелями,

равном л/>/2 = 127° 17", цилиндрический конденсатор обладает способностью фокусировать расходящиеся пучки заряженных частиц (Юз, Д.А. Ро- жанский). В этом случае расходящийся пучок, выходящий из щели D , описав дугу, фокусируется на щели D v

Многочисленные эксперименты доказали справедливость квантовых постулатов Бора, которые находятся в резком противоречии с классическими представлениями. Основанная на постулатах теория Бора позволила объяснить многие накопленные к тому времени экспериментальные факты. Тем не менее квантовые представления Бора и его теория обладают принципиальными недостатками.

• Второй постулат фактически находится в противоречии с первым. Дело в том, что стационарность состояний означает, что в них атом может существовать во времени бесконечно долго. Становится непонятным, почему атом совершает переходы между стационарными состояниями, каков их механизм. Кроме того, частота линии излучения (или поглощения) при таких переходах считается строго фиксированной. Между тем опыт показывает, что спектральная линия имеет конечную ширину, т. е. она характеризуется некоторым набором частот вблизи средней частоты перехода.
• Теория Бора позволяет вычислить частоты (длины волн) спектральных линий, но не их интенсивности. Фактически расчет интенсивности проводили классическими методами.
• Теория Бора была по существу лишь теорией атома водорода и водородоподобных атомов. Попытки обобщения теории на другие атомы, в частности атом гелия, к положительным результатам не привели, хотя в то время уже существовали приближенные методы решения задачи трех тел, обеспечивающие достаточно высокую точность.
• Самое же главное состоит в том, что теория Бора не являлась логически последовательной. Она строилась на основе классических представлений, которые дополнялись квантовыми постулатами. Поэтому она не была чисто классической теорией, но и не была чисто квантовой.

Построение последовательной современной квантовой теории завершилось в 1925-1927 гг.

1. Определить пределы кинетической энергии (? к) электронов, бомбардирующих атомарный водород, в результате чего наблюдается лишь красная линия (с наименьшей частотой) серии Бальмсра. Считать, что вначале атомы находятся в основном состоянии.

Решение. Поскольку наблюдается только красная линия, то атомы водорода должны быть возбуждены на уровне Е у при этом уровень? 4 не должен возбуждаться. Таким образом, ? 3 -?, Е к? 4 -?,т. е. 12,1 Е к 12,7 эВ.

2. Показать, что независимо от энергии электронов и места их первого неупругого соударения с атомами все они достигают анода с одинаковой энергией.

Решение. Пусть потенциал катода равен нулю, а анода (ускоряющий потенциал) У А. На расстоянии х от катода электрон имеет энергиюеК. Если У { - первый критический потенциал, то при неупругом соударении в точке

х электрон будет иметь энергию е(У х -Pj). На оставшемся пути до анода

электрон приобретет энергию е(У А - У Л. Таким образом, подлетая к аноду,

он обладает энергией е(У х - У)+е(У А ~^ х)- Если ускоряющее напряжение

достаточно велико, т. е. У А - Pj > У { , то после первого неупругого соударения электрона с атомом могут произойти второе, третье и т. д. неупругие соударения.

3. Электрон с энергией 4 эВ сталкивается с покоящимся атомом ртути и отклоняется на угол 90°. Определить энергию, теряемую электроном при столкновении.

Решение. Энергия электрона меньше энергии возбуждения атома ртути, поэтому столкновение является упругим. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что доля потерянной электроном энергии равна

• 2m e j(m g + A/ Hg)= 5,5-10 -6 . Таким образом, электрон теряет незначительную часть своей энергии 2,2*КГ 4 эВ.
• 4. Вычислить энергию ионизации атома водорода и ионов Не + , Li* + .

О т в е т. / н = 13,6 эВ, / Нс _ = 4/ н = 54,5 эВ, = 9/ н = 122,5 эВ.

5. Найти оценку сечения ионизации атома водорода быстрой а-ча- стицей, предполагая ее траекторию прямолинейной и пренебрегая смещением электрона в направлении движения а-частицы за время ее пролета (рис. 1.20). Считать, что а-частица взаимодействует с протоном и электроном независимо.

Решение. Ионизация произойдет, если приобретенная электроном энергия будет не менее энергии ионизации атома: Е е > J, при этом Е (-р 2 Jim гдер ± - поперечный импульс, приобретаемый электроном при

взаимодействии с а-частицей, р 1 = J f L dt. Попереч-

ная составляющая силы взаимодействия а-частицы с электроном равна / ± = 2е 2 cosp^/4n? 0 (р 2 + v 2 t 2 Отсчитывая время от момента наименьшего расстояния между электроном и

а-частицей, получаем p t = ljdtle 2 pj 4лс 0 (р 2 + v 2 t 2 ^j 2 = 4e 2 /4ne 0 pv. Таким

образом, электрон приобретает энергию Е е = 8еу (4ле 0) m e p 2 v 2 . При таком неравенстве расстояние р имеет максимальное значение р тах. Сечение

ионизации можно оценить по формуле о % лр 2 1ах = 8ле А j (4ле 0) 2 m/j .

6. Записать формулу Резерфорда для сечения рассеяния ядром с зарядом Ze частицы с зарядом Z, в виде, в котором подчеркивается зависимость от импульса отдачи ядра.

Решение. Величина импульса отдачи |р - р / | = 2A/i>sin(e/2). Поэтому

da k lfAZZ ^)

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

Важнейшими результатами теоретической работы физиков в военные годы было создание общей теории относительности Эйнштейном и развитие квантовой теории Бором и Зоммерфельдом, Эренфестом, Эпштейном и др. История создания общей теории относительности была изложена в четвертой главе, и мы обратимся к истории развития квантовой теории атомов.

Весьма важным фактом в истории атомной теории Бора было экспериментальное подтверждение Дж. Франком и Густавом Герцем боровской идеи о наличии в атоме дискретных энергетических уровней. Правда, первые работы Франка и Герца 1913 г. не опирались на теорию Бора и были выполнены еще до ее появления и потому интерпретировались ими неправильно. Их установка была развитием установки Ленарда 1902 г. и представляла собой замкнутый сосуд, в который была впаяна платиновая проволока Р, накаливаемая током, окруженная платиновой цилиндрической сеткой D и платиновым же цилиндром F, соединенным с электрометром. На проволоку Р накладывается потенциал 10 в , на сетку-потенциал 10+V , который можно менять по желанию. Между сеткой и цилиндром F создается тормозящее поле. Попадая в это поле, электроны, получившие в пространстве PD энергию, пропорциональную V, поворачивают обратно, будучи не в состоянии преодолеть тормозящую разность потенциалов 10+V . Если же они произвели в пространстве DF ионизацию частиц, то положительные ионы попадают на цилиндр и заряжают электрометр. Пока потенциал V меньше некоторой величины V i , электрометр не заряжается, при V = V i электрометр заряжается. Франк и Герц нашли следующие значения потенциалов V i , которые они считали ионизационными для ряда газов:

Во второй работе того же года Франк и Герц определяли среднюю длину свободного пробега электронов при разных V. Здесь они пользовались двумя сетками, находящимися при одном и том же потенциале. Электроны, испускаемые накаленным катодом, ускоряются в пространстве между катодом и сеткой А до разности потенциалов V. Пройдя через сетку A, они вступают в пространство В между сетками А и С, в котором нет поля. В пространстве же между сеткой С и приемным электродом они попадают в тормозящее поле. Приемный электрод разрезан на несколько колец. Верхняя часть прибора А может подниматься, и тем самым длина пространства В может изменяться в широких пределах. Соединяя отдельные кольца приемного электрода с электрометром, можно было изучать рассеяние пучка электронов в пространстве В. Основной результат этих опытов Франка и Герца состоял в том, что они доказали наличие упругих столкновений электронов с молекулами газа. Особенно велики удары упругих столкновений в благородных газах. Существование упругих ударов в гелии Франк и Герц окончательно доказали, видоизменив прибор. В водороде также имеют место упругие удары, однако при столкновениях электрон теряет заметную часть энергии и особенно значительную в кислороде.

В работах 1914 г. Франк и Герц подробно изучали неупругие удары. Схема опытов оставалась в основном прежней: платиновая проволочка D, накаливаемая током, является источником электронов, сетка N и приемный электрод G соединяются через чувствительный гальванометр с землей. Расстояние DN = 4 см, NG = 2 мм . Между D и N прилагалась ускоряющая разность потенциалов V 1 , между N и G - замедляющая разность потенциалов V 2 . Когда V 1 V 2 в гальванометре возникает ток, сила которого растет с увеличением V 1 . Но когда V 1 =V 2 ток падает. Это означает, что соударение электронов с атомами ртути (прибор заполняется парами ртути) становится неупругим. Франк и Герц предполагали, что при V 1 V i происходит ионизация атома, при этом ударяющие электроны теряют свою энергию и не могут преодолеть тормозящее напряжение V 2 , а электроны, оторвавшиеся в результате ионизации, не имеют достаточной энергии. Если теперь снова увеличивать V 1 , то появляется вновь ток, поскольку место ионизации приближается к D. Когда напряжение V 1 станет равным 2V i +V 1 то опять происходит вторая ионизация вблизи сетки N и ток снова падает и т. д. Графически зависимость силы тока в гальванометре от напряжения V 1 при заданном V2 изображается знаменитой ступенчатой кривой Франка и Герца. Расстояние между соседними максимумами равно V i . Франк и Герц нашли, что для ртути V i = 4,9 в , и считали это значение равным ионизационному потенциалу ртути, что неверно. Вместе с тем они показали, что линия λ = 2537 А 0 , открытая в парах ртути Р. В удом и названная им резонансной линией, соответствует энергии электрона 4,84 эв, и вывели отсюда, что при неупругом ударе часть энергии электрона может переходить в квант света, соответствующий длине волны 2537 А 0 . В последней работе 1914 г. они действительно показали, что при V, близком к 5 в , пары ртути испускают линию 2537 А 0 . Таким образом, по мнению Франка и Герца, неупругий удар может производить либо ионизацию атома, либо его возбуждение с последующим высвечиванием. Дальнейшее исследование неупругих столкновений были прекращены войной и только после войны исследования возобновились и была найдена правильная интерпретация ступенчатой кривой. Оказалось, что атом поглощает энергию квантованными порциями, соответствующими его энергетическим боровским уровням. Потенциал V i = 4,9 в является не ионизационным потенциалом, как думали Франк и Герц, а резонансным, соответствующим возбужденному энергетическому уровню. Ионизационный потенциал ртути оказался равным 10,3 в. Все эти результаты были получены в 1917 г. под влиянием получивших уже всеобщее признание идей Бора. Как раз в 1917 г. Дэвис и Гуше провели исследование, позволяющее отличить потенциалы возбуждения от ионизационных. Они усовершенствовали метод Франка и Герца, введя вторую сетку перед приемной пластинкой. Для ртути они нашли потенциалы возбуждения 4,4 и 6,7 в и ионизационный потенциал 10,4 в . Это явилось блестящим подтверждением идей Бора. С 1919 г. Франк и Герц возобновили свои исследования, а в 1925 г. им была присуждена Нобелевская премия "За их открытие закона, управляющего столкновением электрона с атомом". Этот закон состоит, очевидно, в том, что электрон, обладающий энергией, недостаточной для перевода атома в возбужденное состояние, испытывает упругие столкновения. Неупругие столкновения сопровождаются потерей энергии электроном, причем эти потери носят скачкообразный, дискретный характер, обусловленный переходом атома из одного квантового состояния в другие. Обратимся теперь к теоретическим исследованиям.

Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».

Постулаты Бора:

1. Из бесконечного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн (света).

2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона:

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытами, осуществленными в 1914 г. Франком и Герцем. Схема их установки приведена на рисунке. В трубке, заполненной парами ртути под небольшим давлением (~1 мм рт. ст.), имелись три электрода: катод К, сетка С и анод А. Электроны, вылетавшие из катода вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов V, приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было плавно менять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле (разность потенциалов порядка 0,5 В), тормозившее движение электронов к аноду. На рис. б показано изменение потенциальной энергии электрона Ер - - еφ в зазоре между электродами при различных значениях напряжения U между катодом и сеткой (φ - потенциал в соответствующей точке поля).

Исследовалась зависимость силы тока I в цепи анода от напряжения U между катодом и сеткой. Сила тока измерялась гальванометром G. напряжение - вольтметром V. Полученные результаты представлены на рисунке.

Видно, что сила тока вначале монотонно возрастала, достигая максимума при U = 4,9 В, после чего с дальнейшим увеличением U резко падала, достигая минимума, и снова начинала расти. Максимумы силы тока повторялись при U, равном 9,8; 14,7В и т. д.").
Такой ход кривой объясняется тем, что вследствие дискретности энергетических уровней атомы могут воспринимать энергию только порциями:

где Ei, Е2, Е3,...- энергия 1-го, 2-го, 3-го и т. д. стационарных состояний.

До тех пор, пока энергия электрона меньше соударения между электроном и атомом ртути, носят упругий характер, причем, поскольку масса электрона во много раз меньше массы атома ртути, энергия электрона, при столкновениях практически не изменяется. Часть электронов попадает на сетку, остальные же, проскочив через сетку, достигают анода, создавая ток в цепи гальванометра G. Чем больше скорость, с которой электроны достигают сетки (чем больше тем больше будет доля электронов, проскочивших через сетку, и тем, следовательно, больше будет сила тока I .

Когда энергия, накапливаемая электроном в промежутке катод- сетка, достигает значения , соударения перестают быть упругими - электроны при ударах об атомы передают им энергию и продолжают затем двигаться с меньшей скоростью. Поэтому число электронов, достигающих анода, уменьшается. Например, при U = 5,3 В электрон сообщает атому энергию, соответствующую 4,9 В (первый потенциал возбуждения атома ртути), и продолжает двигаться с энергией 0,4 эВ. Если даже такой электрон окажется между сеткой и анодом, он не сможет преодолеть задерживающее напряжение 0,5 В и будет возвращен обратно на сетку.

Атомы, получившие при соударении с электронами энергию и переходят в возбужденное состояние, из которого они спустя время порядка с возвращаются в основное состояние, излучая фотон с частотой .

При напряжении, превышающем 9,8 В, электрон на пути катод - анод может дважды претерпеть неупругое соударение с атомами ртути, теряя при этом энергию 9,8 эВ, вследствие чего сила тока I снова начнет уменьшаться. При еще большем напряжении возможны трехкратные неупругие соударения электронов с атомами, что приводит к возникновению максимума при U = 14,7 В, и т. д.

При достаточном разрежении паров ртути и соответствующей величине ускоряющего напряжения электроны за время до столкновения с атомами могут приобретать скорость, достаточную для перевода атома в состояние с энергией . В этом случае на кривой наблюдаются максимумы при напряжениях, кратных второму потенциалу возбуждения атома (для ртути этот потенциал равен 6,7 В), или при напряжениях, равных сумме первого и второго потенциалов возбуждения и т. д.

Таким образом, в опытах Франка и Герца непосредственно обнаруживается существование у атомов дискретных энергетических уровней.

В спектроскопии частоты спектральных линий принято представлять в виде разности положительных чисел Т(n), называемых термами. Например, в случае водорода . Соответственно частота фотона, излучаемого при переходе из состояния n в состояние m, определяется формулой

Согласно второму постулату Борна (напомним, что энергии связанных состояний электрона отрицательны, так что выражения в круглых скобках больше нуля).

Сопоставление с формулой дает, что

Таким образом, терм тесно связан с энергией стационарного состояния атома, отличаясь от нее лишь множителем .

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСНОЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат на тему «Опыты Франка и Герца»

Выполнил Воротников И.А.

Студент 41 группы,

Специальность:

физика-информатика

МОСКВА, 2008 ГОД

Введение

Эксперимент Франка и Герца является прямым подтверждением постулатов Бора о том, что:

1. Атом может находиться лишь в определенных дискретных состояниях и иметь внутреннюю энергию, соответствующую состоянию, в котором он находится.

2. Изменение внутренней энергии атома может происходить лишь при переходе между состояниями и равно разности энергии этих состояний (энергии перехода).

Идея эксперимента состоит в анализе энергий электронов, претерпевших столкновения с атомами; при этом можно убедиться в том, что электроны передают атомам энергию лишь порциями, равными энергии переходов. Следует различать два типа столкновений: упругие и неупругие . При упругих столкновениях сохраняется суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц, а изменение кинетической энергии каждой из них зависит от соотношения масс. Например, при упругом столкновении электрона с покоящимся атомом кинетическая энергия электрона

может измениться лишь нa величину порядка и - массы электрона и атома, соответственно. Внутренние энергии частиц при упругом соударении не меняются.

При неупругом столкновении кинетическая энергия сталкивающихся частиц изменяется на величину, равную изменению внутренних энергий частиц. Например, при неупру неупругом столкновении электрона с атомом, атом может перейти из одного энергетического состояния в другое, изменив таким образом свою внутреннюю энергию. Разность энергий конечного и начального состояний атома

называется энергией перехода .

Изменение кинетической энергии электрона равно энергии перехода (здесь и далее тяжелый и медленный, по сравнению с электроном, атом считаем покоящимся до и после столкновения) :

(2)

Возбуждение атома (увеличение его внутренней энергии) может произойти лишь тогда, когда кинетическая энергия относительного движения электрона и атома будет превышать энергию перехода. В противном случае столкновение будет упругим, а изменение кинетической энергии - ничтожным. При соударении электрона с возбужденным атомом может произойти обратный процесс: атом переходит в состояние с меньшей внутренней энергией, а энергия электрона увеличивается на величину, равную энергии перехода; такое соударение называется неупругим соударением второго рода . Число таких столкновений пропорционально числу возбужденных атомов и в условиях эксперимента Франка и Герца мало. Ниже они не учитываются. Таким образом, если в объем, заполненный некоторым газом, влетает электрон с энергией

, превышающей энергии переходов в атоме, то после столкновений электроны должны разделиться по энергиям на группы:

1. Электроны, столкнувшиеся с атомами только упруго и почти не потерявшие энергии.2. Электроны, столкнувшиеся с атомами неупруго , т.е. возбудившие атомы на различные энергетические уровни и имеющие энергии

(3)
-- энергия перехода из основного энергетического состояния в энергетическое состояние с номером (при не слишком высоких температурах, согласно распределению Больцмана, почти все атомы находятся в основном состоянии).

Краткая биография Г. Герца

Густав Людвиг Герц родился 22 июля 1887 в Гамбурге. Обучался с 1909 по 1911 гг. в центрах современной ему физики - Гёттингене, Мюнхене и Берлине. Защитил диссертацию под руководством Генриха Рубенса в Берлине и стал ассистентом в физическом институте Университета Гумбольдта в Берлине. Совместно с доцентом того же университета, физиком Джеймсом Франком, Герц разработал в 1912/1913 гг. опыты по соударению электронов с атомами, которые впоследствии оказались существенным подтверждением Боровской теории атома и квантовой механики. Эксперимент известен теперь под именем эксперимента Франка-Герца.

В 1925 г. Герц и Франк получили за это Нобелевскую премию по физике. В апреле 1915, после агитации со стороны Фрица Габера, участвовал в газовой войне при Ипре.

В 1925 г. возглавил на 5 лет руководство физическими лабораториями фабрики лампочек на фирме Филипс в Эйндховене. Занимался там физикой газового разряда. Затем стал профессором физики в Галле и Берлине. В 1935 г. был лишен права принимать экзамены по причине еврейского происхождения, в результате чего отказался от профессуры. Хотя он и остался почётным профессором, Герц предпочёл такой полупрофессуре работу исследователя в промышленности, в исследовательских лабораториях фирмы Siemens & Halske. В 1935 году специально для него в компании была создана лаборатория Siemens-Forschungslaboratorium II.

На фирме Сименс Герц занимался диффузионными разделительными установками лёгких изотопов, которые стали впоследствии основной технологией при обогащении урана для производства атомной бомбы, а также исследованиями в области электроакустики. По этой причине его, совместно с Манфредом фон Арденном, Максом Штеенбеком и другими атомными специалистами, специальное отделение красной армии в апреле 1945 г. перевезло в Сухуми, где Герцу суждено было возглавить исследовательскую лабораторию, состоящую из немецких специалистов.

По результатам работы института в Сухуми Герц был награждён премией от руководства СССР. Возвращение Герца осенью 1954 г. было частью подготовки Восточной Германии к разработке атомной промышленности. Герц возглавил подготовку и стал в 1955 г. руководителем научного совета по мирному применению атомной энергии при совете министров ГДР. В этом совете была проведена вся подготовка по концентрации рассеяных до тех пор институтов в одном новом Дрезденском центральном институте ядерных исследований.В 1954 г. Герц был директором физического института в университете имени Карла Маркса в Лейпциге, членом Академии Наук ГДР и сооснователем исследовательского совета ГДР. Занимал центральное место в развитии ядерной физики в ГДР посредством издания трёхтомного учебника по ядерной физике. В 1975 г. умер в Берлине. Похоронен семейной могиле на кладбище в Гамбурге.

Краткая биография Д.Франка

Немецко-американский физик Джеймс Франк родился в Гамбурге, в семье Якоба Франка, банкира, и Ребекки Франк, в девичестве Дрюкер, которая была родом из известной семьи раввинов. В гамбургской гимназии, где учился Франк, упор делался на классическое образование и языки - предметы, которые его не интересовали. Когда в 1901 году отец послал его в Гейдельбергский университет, то ожидалось, что Франк будет изучать юриспруденцию и экономику, после чего займется традиционным для его семьи банковским делом. Однако в Гейдельберге он изучал также геологию и химию, здесь он встретил Макса Борна , который поддержал интерес Франка к науке и стал его другом на всю жизнь. Позднее Борн убедил родителей Франка помочь сыну в его стремлении получить научное образование.

В 1902 году Франк перешел в Берлинский университет, тогдашний центр физической науки и образования в Германии. Докторскую степень он получил в 1906 году за исследование движения ионов в газовых разрядах. После краткого периода работы ассистентом-преподавателем в университете Франкфурта-на-Майне Франк вернулся в Берлинский университет ассистентом физической лаборатории и стал лектором в этом же университете в 1911 году.

Франк начал совместную работу с Густавом Герцем в 1913 году. В своих первых совместных экспериментах Франц и Герц исследовали взаимодействие электронов с атомами благородных газов низкой плотности. Они обнаружили, что при низких энергиях электроны соударяются с атомами благородных газов без большой потери энергии, т.е. эти соударения являются упругими. В 1914 году ученые повторили свои эксперименты, используя пары ртути, и обнаружили, что электроны сильно взаимодействуют с атомами ртути, отдавая им большую долю своей энергии. Именно эта работа по неупругим соударениям привела Франка и Герца к открытию квантованной передачи энергии в столкновениях атомов и электронов. Между 1900 годом и временем экспериментов Франка и Герца Макс Планк , Альберт Эйнштейн и Нильс Бор создали квантовую теорию. В этой теории предполагалось, что энергия передается не непрерывно, а дискретными порциями, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия кванта выражается через частоту испускаемой или поглощаемой энергии с помощью множителя, известного как постоянная Планка. В 1913 году Бор предложил квантовую модель атома, в которой электроны движутся вокруг ядра только по определенным орбитам, соответствующим специальным энергетическим состояниям; когда электроны переходят с одной орбиты на другую, они испускают или поглощают кванты. Модель Бора отвечала на некоторые существовавшие тогда возражения против ядерной модели атома и, в частности, объясняла спектры элементов. При нагревании газа он поглощает энергию в форме тепла, затем испускает ее в виде света; каждый элемент излучает свет специфических цветов, или длин волн, которые можно разделить, получив при этом серию линий, называемых спектром элемента. Согласно Бору, каждая линия спектра соответствует определенному количеству энергии, излучаемой при переходе электрона с более высокой энергетической орбиты на более низкую. Хотя эта теория вызвала среди физиков огромный интерес и во многом убедила их в справедливости квантовой теории, она все же не была подтверждена экспериментально.