Часть 5 АТОМНАЯ ФИЗИКА

Раздел 15 СТРОЕНИЕ АТОМА

15.6. Опыты Франка и Герца

Постулаты Бора нашли экспериментальное подтверждение в опытах Д. Франка и Г. Герца, выполнено 1913 г. В этих опытах изучалось прохождение пучка электронов, которые ускорялись в электрическом поле, сквозь пару ртути. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 15.7.

Рис. 15.7

В стеклянную емкость, содержащую ртутный пар при давлении около 13,3 Па, было впаяно подогревающее катод К, который излучал электроны, анод А, соединенный с гальванометром, и сеточный электрод S. Между катодом и сеткой создавалось электрическое поле, которое ускоряло электроны до энергии еU₁, где е - заряд электрона; U₁ - разность потенциалов между катодом и сеткой. Между сеткой и анодом создавалось небольшое тормозное поле с разницей потенциалов U (не превышало 0,5 В).

При прохождении электронов сквозь ртутную пару они подвергались столкновений с атомами меркурию. Эти столкновения могли быть двух типов: упругими, когда скорость и энергия электронов не изменяются, а меняется лишь направление движения электронов; и непружними, когда электроны теряют свою энергию, передавая ее атомам меркурию.

Упругие столкновения электронов с атомами меркурию не могут помешать движению электронов к аноду. При этом рост разности потенциалов U₁ между К и S должно вызывать увеличение силы анодного тока. Неупругие столкновения могут приводить практически к полной отсутствии анодного тока. Это объясняется тем, что в случае неупругих столкновений электронов с атомами меркурию они теряют свою энергию и не могут преодолеть слабое тормозящее поле между сеткой S и анодом, что ведет к уменьшение силы анодного тока.

Согласно второму постулату Бора атом меркурию может поглощать только такое количество энергии, которое окажется достаточной для его перехода в один из возбужденных стационарных состояний. В ближайшее основного, невозбужденного состояния атома меркурию является возбужденное состояние, энергия которого выше на 4,86 эв. Поэтому пока электроны, ускоряемые полем, не вступят энергии еU₁ = 4,86 эв, они испытывают только упругих столкновений с атомами, не теряя при этом своей энергии, и, преодолевая тормозящее поле между сеткой и анодом, достигают анода. При этом с увеличением напряжения между катодом и сеткой сила анодного тока возрастает. Но как только энергия электронов достигает значение 4,86 эв, становятся возможными неупругие столкновения их с атомами меркурию, в результате которых электроны полностью теряют свою энергию. В этом случае они не могут преодолеть тормозного поля между S и А и не достигают анода. Энергия таких электронов расходуется на осуществление перехода атомов меркурию из нормального энергетического состояния в возбужденное.

Следовательно, при разности потенциалов между катодом и сеткой, что составляет 4,86 В, наблюдается резкое уменьшение силы анодного тока. При разности потенциалов 24,86 В, 34,86 В и т. д., когда электроны могут испытать двух, трех и т. д. неупругих столкновений с атомами меркурию и потерять при этом полностью свою энергию, сила анодного тока резко уменьшается. Характерная зависимость силы анодного тока от разности потенциалов U₁ между катодом и сеткой в опытах Франка и Герца изображен на рис. 15.8. При U₁, которые равны 4,86, 9,72, 14,58 В, сила анодного тока спадает. Это подтверждает справедливость первого постулата Бора о стационарных состояниях атомов.

Рис. 15.8

В опытах Франка и Герца достал экспериментальное подтверждение и второй постулат Бора (правило частот). Ртутная пара, которая содержалась в трубке и с которой проводились опыты, оказалась источником ультрафиолетового излучения с длиной волны 253,7 нм. Излучения ртутной пары связано с тем, что атомы меркурию, которые приобретают при столкновении с электронами избытка энергии, находятся в возбужденном состоянии около 10^-8 с, а затем возвращаются в основное, нормальное энергетическое состояние. Согласно второго постулата Бора в момент перехода атома в нормальное состояние излучается фотон с энергией ∆ Е = hν. По известным значениям ΔЕ = 4,86 эв (1 эв = 1,6 ∙ 10^-19 Дж) можно вычислить длину волны света, излучаемого,

Следовательно, рассчитанное значение длины волны излучаемого света совпадает с длиной волны, которая установлена экспериментально.

Теория Бора имела большое значение для создание атомной физики, особенно для развития атомной и молекулярной частично спектроскопии. С помощью теории Бора огромный экспериментальный материал об спектры атомов и молекул было систематизировано и сведено к полуэмпирических закономерностей. Однако теории Бора присуща внутренняя противоречивость, которая заключается в том, что в ней классическая физика сочетается с квантовыми постулатами, которые противоречат ей. Наиболее серьезной неудачей теории Бора была невозможность ее помощью построить теорию атома гелия и, вообще, любых систем, состоят из ядра и имеют более чем один электрон. Дальнейшее развитие физики показал, что теория Бора, которая правильно объясняла одни факты и оказалась несостоятельной толковать другие, является неким переходным этапом на пути к созданию последовательной теории атомных явлений. Такой теорией является квантовая механика.