Опыт Франка — Герца. Изучение опыта Франка и Герца Опыт герца схема

В основе современной теории атома лежит экспериментальный факт, установленный в опытах Джеймса Франка и Густава Герца в 1914 г. В этих опытах исследовалось распределение скоростей электронов до и после соударения их с атомами и молекулами разреженного газа. Было найдено, что при скоростях электронов, меньших некоторой критической скорости, соударение происходит вполне упруго – электрон не передаёт атому своей энергии, а изменяет лишь направление импульса. При скоростях, достигающих некоторой критической скорости, столкновение электрона с атомом становится неупругим – электрон теряет всю энергию, передавая её атому, который после этого переходит в другое состояние с большей энергией. Отсюда следовало, что атом либо вообще не воспринимает энергию, либо воспринимает её в количествах, равных разности энергий в двух стационарных состояниях, характерной для данного атома.

Схема установки Франка – Герца показана на рисунке 1. В вакуумный баллон (трубку) впаяны термокатод К , сетки С и анод А . Трубку заполняли парами исследуемых веществ (ртути, гелия и др.) под небольшим давлением (~ 1 мм.рт.ст.). Электроны, вылетевшие из катода, ускорялись разностью потенциалов U(1) , приложенной между катодом К и сеткой С 1 . Эта разность потенциалов регулируется потенциометром П1 . Между сеткой С 2 и анодом А включается источник постоянного напряжения примерно 0,5 В. Этот источник создаёт электрическое поле, задерживающее электроны при их движении к аноду. При этом анод достигают только те электроны, энергия которых больше величины энергии задерживающего потенциала.

Исследовалась зависимость тока I, регистрируемого гальванометром (микроамперметром) G , помещённым в цепь анода А , от напряжения U.

Полученный результат для случая с парами ртути показан на рисунок 2.

Максимумы тока I наблюдались при потенциалах U = 4,1; 9,0; 13,9 В. Разность между этими значениями постоянна и равна 4,9 В (с точностью до 0,1 В). Если к приложенному извне ускоряющему потенциалу прибавить контактную разность потенциалов, которая в опыте равнялась 0,8 В, то получается ряд значений энергий электрона Е = 4,9; 9,8; 14,7 эВ, в котором первое значение совпадает с разностью между соседними значениями. Максимумы на кривой рисунка 2 имеют простое истолкование. Пока энергия электронов меньше 4,9 эВ, они испытывают с атомами ртути упругие соударения, их энергия достаточна для преодоления разности потенциалов между электродами С и А и ток возрастает с увеличением потенциала по обычному закону. При потенциалах кратных 4,9 В удары становятся неупругими, электроны отдают всю свою энергию атомам ртути и задерживаются сеткой. В результате ток в цепи анода резко падает. Если энергия электронов заметно превосходит величину, кратную 4,9 эВ, то такие электроны, потеряв часть своей энергии при неупругом столкновении с атомами ртути, сохраняют достаточно энергии для преодоления задерживающего напряжения и ток начинает возрастать.

Ускоряющий потенциал 4,9 В называется резонансным потенциалом атома ртути. Атом любого химического элемента характеризуется своим значением резонансного потенциала.

Дальнейшие исследования показали, что у атомов данного сорта существует не одно дискретное возбуждённое состояние, а множество таких состояний. У атома ртути, например, кроме резонансного потенциала 4,9 В имеется второй критический потенциал 6,7 В.

Таким образом, опыты Франка и Герца показали, что энергия атомов изменяется дискретно. Тем самым было получено экспериментальное подтверждение постулатов Бора.

Министерство образования Республики Беларусь

ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ

С.А. Маскевич, Н.Д. Стрекаль, В.Е. Граков, А.А. Сокольский

Практикум по атомной физике

Учебное пособие для студентов физических и технических специальностей

 2 частях

×. 1. Боровская модель и

строения атома

Гродно 1999

Ó Ä Ê 539.18(076)

Á Ê Ê 22.383ÿ73

Ï 69

Рецензенты: кандидат физико-математических наук, доцент А.Ю.Иванов;

кандидат физико-математических наук, доцент В.А.Картазаев.

Ì 31 Практикум по атомной физике: Учеб. пособие. В 2 ч.

×. 1 – Боровская модель и квантово-механическое описание

строения атома: / С.А.Маскевич, Н.Д. Стрекаль, В.Е.Граков, А.А.Сокольский. - Гродно: ГрГУ, 1999. - 114 с.

ISBN 985-417-159-0(1)

ISBN 985-417-160-4

В практикуме приведены важные теоретические сведения и практические указания по выполнению 7 лабораторных работ практикума по атомной физике: по боровской модели атома, волновым свойствам микрочастиц, работы, связанные с компьютерным моделированием сложных физических экспериментов и численными методами решения квантово-механических задач. В приложении рассматриваются экспериментальные системы регистрации оптического излучения, их физическая классификация и описание базовых спектральных приборов, используемых при выполнении лабораторных работ. Пособие предназначено для студентов физических и технических специальностей.

ÓÄÊ 539.18(076) ÁÊÊ 22.383ÿ73

ISBN 985-417-159-0(1)

ISBN 985-417-160-4 © С.А.Маскевич, Н.Д.Стрекаль, В.Е.Граков, А.А. Сокольский, 1999

Â Â Å Ä Å Í È Å

Практикум по атомной физике является составной частью большого физического практикума для специальности «Физика», а также частью практикума по атомной, ядерной физике

è радиационной безопасности для инженерных специальностей вузов. Целью практикума является самостоятельное выполнение студентами лабораторных работ по наиболее важным и представляющим определенные трудности для понимания разделам курса. Отличительной спецификой лабораторных работ по атомной физике является их субатомный уровень, требующий использования сложного экспериментального оборудования. Более того, наблюдение эффектов и явлений квантового характера не может быть осуществлено в рамках наглядных демонстраций для широкой аудитории. В связи с этим роль практикума по атомной физике возрастает значительно по сравнению с другими, поставленными по классическим разделами общей физики.

Практикум состоит из двух частей. Первая содержит теоретические сведения и описания лабораторных работ по физике атома в рамках боровской и строгой квантово-механической теории, вторая включает теорию и лабораторные работы по физике атомных явлений, а также необходимые справочные материалы.

Пособие состоит из глав, содержащих основные положения теории по наиболее важным разделам и подробное описание лабораторных работ: цель и постановку экспериментальных задач, пути их решения, практические упражнения с заданиями.

 приложении приводятся физические принципы и классификация экспериментальных систем, используемых при выполнении типовых лабораторных заданий, описаны принципы действия некоторых спектральных приборов. Более подробные инструкции по выполнению лабораторных работ, как правило, предлагаются вниманию студентов непосредственно на рабочем месте в лаборатории.

При подготовке к лабораторным занятиям целесообразно помимо описания лабораторной работы изучить вопросы, входящие в соответствующую главу пособия, а также устройство

è принцип действия предлагаемых приборов по приложению.

КОРПУСКУЛŸРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ. ПОСТУЛАТЫ БОРА. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИŸ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ АТОМА

1.1. Корпускулярно-волновой дуализм свойств материи

Проанализировав экспериментальные данные по фотоэлектрическому и фотохимическому действию света на вещество, А.Эйнштейн предложил фотонную теорию света, расширяющую и углубляющую квантовую гипотезу М.Планка. В соответствии с фотонной теорией электромагнитное поле (свет) представляет собой поток фотонов, во многом похожих на частицы. Они взаимодействуют с веществом как целое, обладают определенной энергией Еô = hv и импульсом рô = hv /c = h/l , где h - постоянная Планка; с - скорость света; v - частота; l - длина волны. В то же время для объяснения интерференционных и дифракционных явлений необходимо сохранить представление о волновой природе света. Так в физике возникла проблема кор- пускулярно-волнового дуализма.

В 1923 г. французский физик Луи де Бройль пришел к выводу, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только излучению, но и всем без исключения материальным частицам - электронам, протонам, атомам и т.д., причем количе- ственные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что для фотонов: если частица имеет энергию Е и импульс р, то с ней связана волна, частота которой v = E/h, и длина волны

1.2. Основные закономерности

â спектрах испускания и поглощения атомов

Ê концу прошлого века был накоплен обширный экспериментальный материал по спектрам испускания и поглощения атомных паров и газов, представляющих собой ансамбли слабо взаимодействующих атомов. Наиболее существенным в имеющихся экспериментальных данных было следующее.

1. Атомные спектры являются линейчатыми, т.е. состоят из узких, изолированных одна от другой линий.

2. Спектры разных элементов различны и строго индивидуализированы. По виду спектра можно однозначно определять элемент и производить элементный анализ сложных веществ.

3. Обычно в спектре испускания содержится больше линий, чем в спектре поглощения того же элемента. Все линии спектра поглощения совпадают по длинам волн с частью линий спектра испускания.

4. Частоты спектральных линий удовлетворяют комбина-

ционному принципу (В.Ритц, 1908 г.), который обычно форму-

лируется применительно к волновым числам. (Волновым чис-

ëîì í в спектроскопии называют величину, обратную длине

где с - скорость света.) В соответствии с комбинационным принципом Ритца для каждого атома можно найти дискретную последовательность положительных чисел T1 , T2 , T3 , ..., называемых спектральными термами этого атома, таких, что волновые числа всех спектральных линий данного атома будут выражаться в виде разности каких-либо двух спектральных термов:

m = 1,2,3,…; n = m+1, m+2, m+3, ….

В формуле Бальмера RH - некоторый коэффициент, который носит название постоянной Ридберга. Очевидно, формула Бальмера является частным случаем комбинационного принципа, причем водородные термы имеют вид

Удивительным представлялось отсутствие в спектре данного атома линий с кратными частотами, что явно противоречило основным положениям классической электронной теории. Решение проблемы было найдено Н.Бором, который предположил, что спектральные термы обусловлены существованием дискретных уровней энергии атома. Данное предположение хорошо сочеталось с квантовой теорией света, предложенной в 1905 г.

А.Эйнштейном. Действительно, если умножить уравнение (1.2)

на скорость света и постоянную Планка, то слева получится энер-

гия фотона hcí mn = hv mn , а справа вместо разности спектральных термов - разность соответствующих им значений энергии

откуда связь между термами Т1 , Ò2 , T3 , ... и уровнями энергии E1 , E2 , E3 , … очевидна.

1.3. Постулаты Бора

 1913 г. Н.Бор сформулировал два постулата атомной физики.

1. Атомная система устойчива только для определенной совокупности состояния - «стационарных состояний», - которая в общем случае соответствует дискретной последовательно-

сти значений энергии атома E1 , E2 , E3 ,… Каждое изменение этой энергии связано с полным «переходом» атома из одного стационарного состояния в другое.

2. Способность атома поглощать и испускать излучение подчиняется закону, по которому излучение, связанное с пере-

ходом, должно быть монохроматическим и иметь частоту v mn , определяемую соотношением (1.6).

Исходя из постулатов Бора, можно построить диаграмму уровней энергии атома (рис. 1.1), которая придает наглядность комбинационному принципу. Обычно уровни энергии откладывают в линейном масштабе.

1.4. Основные положения квантовой теории атома

 основном состоянии, которому отвечает минимальная

энергия Е1 , атом находится сколь угодно долго. Все остальные состояния являются возбужденными. Процесс перевода атома

â такое состояние называется возбуждением. В возбужденном состоянии атом обычно задерживается на сравнительно короткое время - порядка 10–8 с. Однако по атомным масштабам это время чрезвычайно велико. Оптическим фотонам отвечает частота около 1014 ñ–1 , что соответствует 106 колебаниям для типичного случая ô = 10–8 ñ.

Из возбужденного атом переходит в основное состояние либо непосредственно, либо поэтапно через промежуточные возбужденные состояния. Каждой наблюдаемой спектральной линии соответствует переход между двумя уровнями энергии. На диаграмме (см. рис. 1.1) возможные переходы отмечены вертикальными стрелками, направления которых для случаев поглощения и испускания света противоположны. Частоты фотонов, соответствующих нескольким переходам, приведены на рисунке.

Если энергии двух энергетических уровней, между которыми происходит переход, известны точно, то и разность этих энергий также должна быть точно определяемой величиной. В этом случае наблюдалась бы линия, не имеющая ширины, характеризуемая точным значением частоты v и, следовательно, положением в спектре (рис. 1.2).

Время жизни атома в возбужденном состоянии D t связано c неопределенностью энергии этого состояния D Е квантовомеханическим соотношением неопределенности Гейзенберга

ãäå D Å è D t - неопределенности энергии и времени жизни системы, D = h/2p . Если время жизни мало, то величина D Е будет большой. Время жизни основного состояния обычно бесконеч- но велико, и его уровень определен точно. Ширина линии определяется величиной D Е и на практике измеряется как ширина на половине высоты. На рис. 1.2 в соответствии с изложенным представлена некоторая гипотетическая линия поглощения, не имеющая ширины (рис. 1.2а), и реальная линия поглощения, имеющая ширину D Е на половине высоты (рис. 1.2б).

Кроме естественного уширения за счет конечного времени жизни возбужденного состояния, спектральные линии могут уширяться и по другим причинам, например, в результате соударений, обменных химических реакций и т.д.

Начало отсчета энергии атома обычно выбирается таким образом, чтобы все ее дискретные значения: E1 , E2 , E3 , …, отве- чающие связанным состояниям, были отрицательными. При положительных значениях энергии (Е > 0) атом распадается на положительный ион и электрон. Процесс удаления электрона из атома называется ионизацией. Поскольку в состояниях ионизации движения иона и электрона являются независимыми, их суммарная энергия E может принимать любые значения, т.е. не квантуется. Энергией ионизации Wi называется минимальная энергия, которую нужно сообщить атому, находящемуся в основном состоянии, для его ионизации. Из диаграммы (см. рис. 1.1) видно, что энергия ионизации равна по абсолютной величине энергии основного состояния атома:

W i = 0 − E 1 = E 1 .

Энергию ионизации обычно выражают в электронвольтах. В этом случае для нее часто употребляется термин потенциал ионизации.

В различных стационарных состояниях атом имеет и разную структуру (геометрическую конфигурацию). Таким образом, его переход из одного стационарного состояния в другое сопровождается изменением структуры. Наиболее существенные изменения происходят при ионизации, когда атом вообще лишается электрона.

Атом может быть ионизован в результате поглощения фотона с энергией hv , превышающей энергию ионизации Wi, ò.å. hv > Wi . Этот процесс носит название фотоионизации. Вырванный из атома электрон будет иметь кинетическую энергию hv – Wi . Процессом, обратным фотоионизации, является радиационная рекомбинация. В результате ее ион и электрон образуют атом в одном из связанных стационарных состояний, а освободившаяся энергия передается одному или нескольким фотонам.

Энергия, необходимая для возбуждения или ионизации атомов, может быть сообщена им не только при облучении светом определенной частоты, но и при неупругих столкновениях с другими частицами, когда кинетическая энергия последних превышает некоторую пороговую величину.

В частности, нагревание газа всегда сопровождается возбуждением (ионизацией) атомов при неупругих столкновениях с другими достаточно быстрыми атомами (а также с электронами, которые появляются в газе в результате ионизации). В этом случае говорят о термическом возбуждении (ионизации). По мере увеличения температуры Т быстро возрастает число атомов в каждом из возбужденных состояний. Населенность данного возбужденного состояния с энергией Еn определяется распределением Больцмана:

ãäå Nn - число атомов в возбужденном состоянии; N1 - число атомов в основном состоянии; k - постоянная Больцмана. При комнатной температуре, для которой k T » 1/40 эВ, отношение Nn /N1 пренебрежимо мало. Поэтому холодный газ не испускает видимого света, если его атомы не возбуждены каким-либо способом. Малостью отношения Nn /N1 объясняется также и то, что в спектре поглощения холодного газа присутствуют только линии с частотами v 21 , v 31 , v 41 и т.д., соответствующие переходам из основного состояния.

Объяснение устойчивости стационарных боровских орбит было дано вскоре после формулировки в 1923 г. французским физиком Луи де Бройлем гипотезы о волновых свойствах материи.

Следуя представлениям о волновом характере движения связанного с ядром электрона, М.Борн объяснил отсутствие излучения следующим образом. В результате орбитального движения электрона образуется стоячая волна де Бройля, вероятностное электронное облако разделяется на две равные части, колеблющиеся точно в противофазе. Электромагнитные волны,

создаваемые колебаниями двух частей электронного облака, также оказываются в противофазе и при интерференции взаимно гасятся.

Условие образования стоячей волны де Бройля на круговой орбите длиной 2p r имеет вид (см. рис. 1.3)

2p r=nl Áð , n=1,2,3,... (1.9)

λ ð Á

ZA -e

M m A

Длина волны де Бройля l Áð определяется соотношением (1.1). С учетом (1.1) можно показать, что условие (1.9) аналогично условию квантования момента импульса орбитального электрона

Квантовое условие (1.10), налагаемое на электрон в атоме, имеет простой смысл: разрешены лишь такие его движения, при которых момент импульса ln = me u n rn составляет величину, кратную постоянной Планка D .

Лабораторная работа №3

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

Цель работы : изучение процесса возбуждения атомов инертного газа электронным ударом и измерение первого потенциала возбуждения.

Сущность опытов, проведенных Дж. Франком и Г. Герцем.

Эти опыты дали прямое доказательство существования дискретности атомных состояний, т. е. принесли экспериментальное подтверждение постулатов Бора.

Согласно первому постулату Бора атом может длительное время (по атомной шкале времени) находиться только в определенных, так называемых стационарных состояниях, которые характеризуются дискретными значениями энергии Е1 , Е2 , Е3 , ... В этих состояниях, вопреки классической электродинамике, атом не излучает.

Второй постулат (правило частот) гласит, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е2 в стационарное состояние с меньшей энергией Е1 происходит излучение кванта света (фотона) с энергией https://pandia.ru/text/78/541/images/image002_152.gif" width="88" height="21"> (1)

В 1925 г. за открытие законов столкновений электронов с атомами Джеймс Франк и были удостоены Нобелевской премии.

Идея опытов заключается в следующем. При неупругих столкновениях электрона с атомом происходит передача энергии от электрона атому. Если внутренняя энергия атома изменяется непрерывно, то атому может быть передана любая порция энергии. Если же состояния атома дискретны, то его внутренняя энергия при столкновении с электроном должна изменяться также дискретно - на значения, равные разности внутренней энергии атома в стационарных состояниях.

Следовательно, при неупругом столкновении электрон может передать атому лишь определенные порции энергии. Измеряя их, можно определить значения внутренних энергий стационарных состояний атома.

Анод" href="/text/category/anod/" rel="bookmark">анод . Электроны, испускаемые горячим катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Величину U можно было плавно менять. Между сеткой и анодом создавалось слабое тормозящее поле с разностью потенциалов около 0,5 В.

Таким образом, если электрон, проходящий сквозь сетку, имеет энергию меньше 0,5 эВ, то он не долетит до анода. Электроны, долетевшие до анода, образуют анодный ток, доступный измерению.

На опыте исследовалась вольт-амперная характеристика (рис. 2). Оказалось, что при увеличении ускоряющей разности потенциалов U вплоть до 4,86 В сила анодного тока возрастает монотонно, проходит через максимум (4,86 В), затем резко падает и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при 2 ´ 4,86 В, 3 ´ 4,86 В и т. д.

https://pandia.ru/text/78/541/images/image007_49.gif" width="71" height="20">эВ, и атомы действительно могут поглощать лишь дискретные порции энергии, равные этой величине. При энергии электронов, меньшей 4,86 эВ, они испытывают только упругие столкновения и передают атомам малую часть своей энергии (пропорциональную отношению массы электрона m к массе атома M , а т. к. m << M , то потеря кинетической энергии ничтожна). Когда же ускоряющее напряжение U становится равным 4,86 В, электроны начинают испытывать вблизи сетки неупругие столкновения, отдавая атому ртути всю энергию, и уже не могут преодолеть тормозящую разность потенциалов между сеткой и анодом. Значит на анод могут попасть только те электроны, которые не испытали неупругого столкновения. Поэтому, начиная с ускоряющего напряжения 4,86 В, анодный ток будет уменьшаться.

При дальнейшем росте ускоряющего напряжения достаточное число электронов после неупругого столкновения успевает приобрести энергию, необходимую для преодоления тормозящего поля за сеткой. Начинается новое возрастание силы тока. Когда ускоряющее напряжение увеличится до значения 2 ´ 4,86 В, электроны после одного неупругого столкновения достигают сетки с энергией 4,86 эВ, достаточной для второго неупругого столкновения. При втором неупругом столкновении электроны опять теряют почти всю свою энергию и не достигают анода. Поэтому анодный ток начинает опять уменьшаться (второй максимум на рис. 2). Аналогично объясняются и последующие максимумы. Практически, однако, следующие максимумы менее резко выражены и постепенно кривая становится просто плавно возрастающей, т. к. статистически для одного электрона вероятность испытать каждое следующее неупругое столкновение с атомом уменьшается.

Аналогичные опыты были проведены в дальнейшем с атомами других газов. И для них были получены характерные разности потенциалов, соответствующие переходу атома из основного состояния в ближайшее возбужденное. Такие характерные разности потенциалов называют первыми потенциалами возбуждения .

Итак, все опыты такого рода приводят к заключению, что состояние атомов изменяются лишь дискретно.

Опыты Франка и Герца подтверждают также и второй постулат Бора - правило частот. Оказывается, что при достижении ускоряющего напряжения 4,86 В пары ртути начинают испускать ультрафиолетовое излучение с длиной волны 253,6 нм. Это излучение связано с обратным переходом атомов ртути из первого возбужденного состояния в основное. Используя это значение, по правилу частот можно получить значение первого потенциала возбуждения, хорошо согласующееся с предыдущими измерениями:

К выше изложенному необходимо добавить два замечания. Во-первых, поскольку столкновения ускоренных электронов с атомами носят статистический характер, т. е. существует определенная вероятность возбуждения атомов как до первого, так и до второго и других потенциалов возбуждения. Следовательно на графике вольт-амперной характеристики теоретически могут появляться и другие максимумы, соответствующие более высоким потенциалам возбуждения. Но если концентрация атомов в объеме достаточно велика, то такие максимумы возникать не будут, т. к. длина свободного пробега электрона между двумя неупругими соударениями с атомами будет недостаточной для приобретения такой кинетической энергии, которой бы хватило для возбуждения более высоких энергетических состояний.

Во-вторых, в силу того, что электроды, как правило, изготавливаются из разных металлов, между ними дополнительно возникает внешняя контактная разность потенциалов. Ее наличие приводит смещению кривой зависимости анодного тока от ускоряющего напряжения влево или вправо на величину этой контактной разности потенциалов. Однако интересующее нас расстояние между соседними максимумами на графике при этом не меняется.

Приборы и оборудование.

Метод возбуждения атомов потоком электронов особенно пригоден для инертных газов и паров металла, поскольку атомы этих веществ не обладают электронным сродством, т. е. не проявляют склонности к захвату электронов и образованию отрицательных ионов.

В данной работе в экспериментальной лампе ПМИ-2 используется инертный газ криптон (Kr) при низком давлении. Электрическая схема установки приведена на рис. 3.

https://pandia.ru/text/78/541/images/image011_27.gif" width="63" height="41"> (прямо пропорциональная зависимость), нет необходимости в их расчете. Достаточно для обоих величин U СА построить график зависимости UR = f (U СК ) , который по своему виду будет полностью идентичен вольт-амперной характеристике IA = f (U СК ) .

7. Определить первый потенциал возбуждения для двух серий измерений, усреднить его значение и записать в виде доверительного интервала.

8. Пользуясь формулой (2) по рассчитанной величине первого потенциала возбуждения определить длину волны испускаемого атомами криптона излучения.

Контрольные вопросы.

1. В чем сущность опытов Франка и Герца?

2. Какие основные выводы можно сделать на основании опытов Франка и Герца?

3. Какие столкновения электронов с атомами называются упругими и неупругими? На каких участках графика вольт-амперной характеристики имеют место упругие, а на каких – неупругие столкновения?

4. С какой целью на анод подается задерживающее напряжение, и из каких соображений оно выбирается?

5. Что такое первый потенциал возбуждения? Какое состояние атома называется основным, а какое – возбужденным?

6. Чем объясняется тот факт, что даже при отсутствии подачи ускоряющего напряжения U СК наблюдается анодный ток в цепи нагрузки?

7. В чем причина возникновения смещения графиков UR = f (U СК ) с изменением величины задерживающего напряжения?

8. При каком ускоряющем потенциале будет наблюдаться резкое падение анодного тока в аналогичном опыте, если лампу заполнить атомарным водородом ?

9. Почему не наблюдается свечения криптона в объеме лампы несмотря на то, что возбужденные атомы снова переходят в основное состояние и при этом испускают кванты электромагнитной энергии?

Литература.

1. Иродов И. Е. Квантовая физика. Основные законы, М.-СПб: Лаборатория базовых знаний, 2001, § 2.3.

2. Сивухин курс физики: т. 5, часть 1 (Атомная и ядерная физика), М: Наука, 1986, § 14.

3. Савельев И. В. Общий курс физики: т. 3, М: Наука, 1984, § 21.

4. Трофимова и атомная физика: законы, проблемы, задачи., М: Высшая школа, 1999, § 8.3.

Изучая методом задерживающего потенциала столкновения электронов с атомами газов (1913), Д. Франк и Г. Герц экспериментально доказали дискретность значений энергии атомов. Принципиальная схема их установки приведена на рис. 292. Вакуумная трубка, заполненная парами ртути (давление приблизительно равно 13 Па), содержала катод (К), две сетки (С 1 и С 2) и анод (А). Электроны, эмитируемые катодом, ускорялись разностью потенциалов, приложенной между катодом и сеткой С 1 . Между сеткой С 2 и анодом приложен небольшой (примерно 0,5 В) задерживающий потенциал.

Из опыта следует (рис. 293), что при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,86В анодный ток возрастает монотонно, его значение проходит через максимум (4,86В), затем резко уменьшается и возрастает вновь. Дальнейшие максимумы наблюдаются при 2 · 4,86 и 3 · 4,86 В.

Ближайшим к основному, невозбужденному, состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее от основного по шкале энергий на 4,86 эВ. Пока разность потенциалов между катодом и сеткой меньше 4,86 В, электроны, встречая на своем пути атомы ртути, испытывают с ними только упругие соударения. При еφ=4,86 эВ энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути всю кинетическую энергию, возбуждая переход одного из электронов атома из нормального энергетического состояния на возбужденный энергетический уровень. Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию, уже не смогут преодолеть тормозящего поля и достигнуть анода. Этим и объясняется первое резкое падение анодного тока при еφ =4,86 эВ. При значениях энергии, кратных 4,86 эВ, электроны могут испытать с атомами ртути 2, 3. ... неупругих соударения, потеряв при этом полностью свою энергию, и не достигнуть анода, т. е. должно наблюдаться резкое падение анодного тока. Это действительно наблюдается на опыте (рис. 293). Таким образом, опыты Франка и Герца показали, что электроны при столкновении с атомами ртути передают атомам только определенные порции энергии, причем 4,86 эВ - наименьшая возможная порция энергии (наименьший квант энергии), которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестяще выдержала экспериментальную проверку.

Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию ∆Е, переходят в возбужденное состояние и должны возвратиться в основное, излучая при этом, согласно второму постулату Бора (см. (210.2)), световой квант с частотой ν =∆Е/h. По известному значению ∆Е =4,86 эВ можно вычислить длину волны излучения: λ = hc/∆Е ≈255 им. Таким образом, если теория верна, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4,86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с λ ≈255 им. Опыт действительно обнаруживает одну ультрафиолетовую линию с λ ≈ 254 нм. Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, во и второй постулат Бора. Эти опыты сыграли огромное значение в развитии атомной физики.

Схема электровакуумной трубки, использованной в эксперименте

Опыт Франка - Герца - опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем .

На рисунке приведена схема опыта. К катоду К и сетке C1 электровакуумной трубки, наполненной парами Hg (ртути), прикладывается разность потенциалов V, ускоряющая электроны , и снимается зависимость силы тока I от V. К сетке C2 и аноду А прикладывается замедляющая разность потенциалов. Ускоренные в области I электроны испытывают соударения с атомами Hg в области II. Если энергия электронов после соударения достаточна для преодоления замедляющего потенциала в области III, то они попадут на анод. Следовательно, показания гальванометра Г зависят от потери электронами энергии при ударе.

В опыте наблюдался монотонный рост I при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,9 в, то есть электроны с энергией Е < 4,9 эв испытывали упругие соударения с атомами Hg и внутренняя энергия атомов не менялась. При значении V = 4,9 в (и кратных ему значениях 9,8 в, 14,7 в) появлялись резкие спады тока. Это определённым образом указывало на то, что при этих значениях V соударения электронов с атомами носят неупругий характер, то есть энергия электронов достаточна для возбуждения атомов Hg. При кратных 4,9 эв значениях энергии электроны могут испытывать неупругие столкновения несколько раз.

Таким образом, опыт Франка - Герца показал, что спектр поглощаемой атомом энергии не непрерывен, а дискретен, минимальная порция (квант электро-магнитного поля), которую может поглотить атом Hg, равна 4,9 эВ. Значение длины волны λ = 253,7 нм свечения паров Hg, возникавшее при V > 4,9 В, оказалось в соответствии со вторым постулатом Бора

Где E 0 и E 1 - энергии основного и возбужденного уровней энергии . В опыте Франка - Герца, E 0 - E 1 = 4,9 эв .

Артур Комптон , повторив ( -) опыт Франка - Герца, обнаружил, что при V > 4,9 в пары Hg начинают испускать свет с частотой n = DE/h, где DE = 4,9 эв (h - постоянная Планка). Таким образом, возбуждённые электронным ударом атомы Hg испускают фотон с энергией 4,9 эв и возвращаются в основное состояние.

В г. Густав Герц и Джеймс Франк были награждены нобелевской премией за открытие законов соударения электрона с атомом.

См. также

Франк Герц - режиссёр, кинодокументалист.

Ссылки

• Современный список литературы по эксперименту Франка-Герца.

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Мальта (остров)
• Режим холостого хода (электроника)

Смотреть что такое "Опыт Франка - Герца" в других словарях:

опыт Франка и Герца - Franko ir Herco eksperimentas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektronų susidūrimo su dujų ar metalo garų atomais ir molekulėmis tyrimas. atitikmenys: angl. Franck Hertz’s experiment vok. Franck Hertzscher… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

опыт Франка и Герца - Franko ir Herco eksperimentas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Franck Hertz’s experiment vok. Franck Hertzscher Versuch, m rus. опыт Франка и Герца, m pranc. expérience de Franck et Hertz, f … Fizikos terminų žodynas

Опыт Франка - Герца - Зависимость тока от напряжения. Видны острые периодические пики, соответствующие ионизации атомов. Опыт Франка Герца опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем … Википедия

Опыт Франка - Схема электровакуумной трубки, использованной в эксперименте … Википедия

ФРАНКА - ГЕРЦА ОПЫТ - опыт, показавший, что внутр. энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает определённые дискретные значения (квантуется). Впервые поставлен в 1913 нем. физиками Дж. Франком (J. Franck) и Г. Герцем (G. Hertz). Сыграл важную роль в… … Физическая энциклопедия

Франка - Герца опыт - опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии Атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем. На рис. 1 приведена схема опыта. К катоду К и сетке C1 электровакуумной трубки, наполненной парами Hg,… … Большая советская энциклопедия

ФРАНКА - ГЕРЦА ОПЫТ - показал, что внутр. энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает определённые дискр. значения (квантуется). Впервые поставлен в 1913 нем. физиками Дж. Франком (). Franck) и Г. Герцем (G. Hertz). Сыграл важную роль в эксперим.… … Физическая энциклопедия

ФРАНКА - ГЕРЦА ОПЫТ - ФРАНКА ГЕРЦА ОПЫТ, опыт, доказывающий, что внутренняя энергия атома может принимать лишь дискретные значения. Впервые поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем … Энциклопедический словарь

ФРАНКА - ГЕРЦА опыт опыт, доказывающий, что внутренняя энергия атома может принимать лишь дискретные значения. Впервые поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем … Большой Энциклопедический словарь

ФРАНКА - ГЕРЦА ОПЫТ - опыт, доказывающий, что внутр. энергия атома может принимать лишь дискретные значения. Впервые поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем … Естествознание. Энциклопедический словарь