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.

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

l = h/p.

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

		1/ ë	и связанную с частотой v соотношением í =
				c í ,

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

	R / n2 .

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

Em = – hc Tm ; En = – hc Tn .
Уравнение (1.2) принимает вид
hv mn = En – Em ,

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.

	ν 43
	ν 42 ν
	Èîíè- ν 41	ν 21ν 31

	ν 41 =		(E4 -E1 )
	ν 32 =		(E3 -E2 )
	ν 42 =		(E4 -E2 )
	ν 43 =		(E4 -E3 )

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).

Интенсивность	перехода

		∆ E
		∆ E
Å2 -Å1		Å2 -Å1

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

	∆ E ∆ t = D / 2 ,
	∆ E =

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:

Nn /N1 ~ exp [–(En – E1 )/k T],

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

me u n rn = nD .

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 .

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытом Франка и Герца. Немецкие ученые Джеймс Франк и Густав Герц за экспериментальные исследования дискретности энергетических уровней получили Нобелевскую премию в 1925 г.

В опытах использовалась трубка (рис. 6.9), заполненная парами ртути при давлении р ≈ 1 мм рт. ст. и три электрода: катод, сетка и анод.

Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было изменять с помощью потенциометра П . Между сеткой и анодом тормозящее поле 0,5 В (метод задерживающих потенциалов).

Определялась зависимость тока через гальванометр Г от разности потенциалов между катодом и сеткой U . В эксперименте была получена зависимость, изображенная на рис. 6.10. ЗдесьU = 4,86 В – соответствует первому потенциалу возбуждения.

Согласно боровской теории, каждый из атомов ртути может получить лишь вполне определенную энергию, переходя в одно из возбужденных состояний. Поэтому если в атомах действительно существуют стационарные состояния, то электроны, сталкиваясь с атомами ртути, должны терять энергию дискретно , определенными порциями , равными разности энергии соответствующих стационарных состояний атома.

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

Ближайшим к основному, невозбужденному состоянию атома ртути является возбужденное состояние, отстоящее по шкале энергий на 4,86 В. 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 = 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 состояния в возбужденное. Электроны, потерявшие свою кинетическую энергию, уже не смогут преодолеть тормозящий потенциал и достигнуть анода. Этим и объясняется резкое падение анодного тока при = 4,86 эВ. При значениях энергии, кратных 4,86, электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения. При этом они полностью теряют свою энергию и не достигают анода, т.е. наблюдается резкое падение анодного тока.

Таким образом, опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями , причем 4,86 эВ – наименьшая возможная порция, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Следовательно, идея Бора о существовании в атомах стационарных состояний блестяще выдержала проверку экспериментом.

Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию , переходят в возбужденное состояние и должны вернуться в основное, излучая при этом, согласно второму постулату Бора, квант света с частотой . По известному значению можно вычислить длину волны светового кванта: . Таким образом, если теория верна, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4,86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с , что действительно обнаружилось в опытах .

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 Е 1 , Е 2 , Е 3 , ... В этих состояниях, вопреки классической электродинамике, атом не излучает.

Второй постулат (правило частот) гласит, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е 2 в стационарное состояние с меньшей энергией Е 1 происходит излучение кванта света (фотона) с энергией :

(1)

В 1925 г. за открытие законов столкновений электронов с атомами Джеймс Франк и Густав Людвиг Герц 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.

Принципиальная схема установки, примененной Франком и Герцем, представлена на рис. 1. В баллоне с парами ртути под давлением порядка 1 мм рт. ст. (130 Па) имелись три электрода: К - катод, С - сетка и А - 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.

Т
акой вид кривой объясняется тем, что первое возбужденное состояние атома ртути отстоит от основного по шкале энергий на
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.

Министерство образования и науки Украины

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

Ю.В. Сорокин

Опыт франка и герца

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

Атом и атомные системы могут длительно пребывать в определенных стационарных состояниях, в которых, не смотря на происходящие в них движения заряженных частиц, они не излучает и не поглощает энергию. Каждому состоянию соответствует свое дискретное значение энергии.

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

Идея эксперимента состоит в следующем. Исследуя энергию электронов, претерпевших столкновения с атомами, убедиться в том, что электроны могут передавать атомам энергию лишь порциями, равными энергии перехода.

При этом 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 их масс. Например, при столкновении электрона с покоящимся атомом кинетическая энергия электрона может измениться лишь на величину
порядка

, (1)

гдеm и M – массы электрона и атома соответственно. Внутренние энергии частиц при упругом соударении не меняются.

При неупругом столкновении внутренняя энергия сталкивающихся частиц изменяется на величину, равную изменению кинетических энергий частиц. Например, при неупругом столкновении электрона с атомом атом может перейти из одного энергетического состояния в другое, изменив, таким образом, свою внутреннюю энергию. Изменение кинетической энергии электрона и атома равно энергии перехода:

Таким образом, 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 электрона – 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 ударом второго рода.

Вероятность осуществления того или иного изменения состояний при столкновении характеризуется величиной «сечения». Например, если для осуществления некоторого процесса – (возбуждения, ионизации, ...) необходимо, чтобы электрон (определенной энергии ) пролетел не дальше от атома, чем на расстоянииr 0 , то площадь
называют сечением этого процесса (возбуждения, ионизации, ...) при энергии.

Таким образом, если в объем, заполненный некоторым газом, влетают электроны с энергией , превышающей энергии перехода в атоме, то после столкновений электроны должны разделиться по энергиям на группы:

Электроны, столкнувшиеся с атомами только упруго и почти не потерявшие энергии.

Электроны, столкнувшиеся с атомами неупруго, то есть возбудившие атомы на различные энергетические уровни и имеющие энергии

. (3)

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

В эксперименте Франка и Герца наблюдается возбуждение «резонансного» уровня, т.е. самого нижнего из всех возбужденных уровней. Устройство для наблюдения этого явления представляет собой трехэлектродную лампу, заполненную парами исследуемого элемента.

Э
лектрическая схема эксперимента представлена на рис. I.

Рис. 1. Электрическая схема опыта Франка и Герца

Электроны, испущенные катодом, ускоряются электрическим полем между сеткой и катодом и испытывают столкновения с атомами. По мере продвижения от катода к сетке изменяется их энергия, численно равная (в электрон-вольтах) пройденной от катода разности потенциалов (в вольтах) за вычетом энергии, потерянной при столкновениях с атомами. Если потенциал сетки относительно катода не превышает резонансного потенциала атома 1 , то нигде в лампе не может происходить неупругих столкновений. Если же между сеткой и анодом создать электрическое поле, задерживающее электроны, то измерение зависимости анодного тока от задерживающего потенциала при постоянном ускоряющем потенциале (характеристика задержки) должно дать результат, изображенный на рис. 2, кривая «а», что соответствует одной группе электронов, сталкивающихся только упруго.

Рис. 2. Кривая задержки (а) и распределение электронов по энергиям (б) в случае упругих столкновений

Дифференцируя кривую «а» (см. , § 91), мы получаем распределение электронов по энергиям (кривая «б»), точнее, по составляющей скорости вдоль поля.

В том случае, когда потенциал сетки превышает резонансный, в областях с потенциалом (относительно катода) выше резонансного могут происходить неупругие столкновения, приводящие к появлению группы медленных электронов, отдавших атомам энергию, равную энергии возбуждения резонансного уровня. В этом случае характеристика задержки и распределение электронов по энергиям должны иметь вид, изображенный на рис. 3.

Ширины распределений электронов по энергиям на рис. 2 и 3 зависят от многих факторов: давления и температуры газа, распределения потенциала вдоль катода, геометрии лампы и т.д. Поэтому трудно осуществить условия для достаточно точного определения резонансного потенциала по характеристикам задержки,

Рис. 3. Кривая задержки (а) и распределение электронов по энергиям (б) в случае неупругих столкновений

Лучшие результаты дает измерение анодных характеристик таких ламп, т.е. измерение зависимости анодного тока от ускоряющего потенциала при постоянном задерживающем.

Чтобы не усложнять картину возбуждением более высоких (чем резонансный) возбужденных уровней, потребуем выполнения условия:

, (4)

где  – длина свободного пробега электрона, зависящая от давления;  – напряженность ускоряющего поля; e – заряд электрона; E 1 и E 2 – энергии уровней основного и следующего за ним состояний.

В
таких условиях электрон с большой вероятностью должен сталкиваться неупруго сразу по достижении энергии возбуждения резонансного уровня. Анодная характеристика должна иметь вид, изображенный на рис. 4.

Рис. 4. Вид вольтамперной характеристики при неупругих соударениях

Как только потенциал сетки превысит значение, равное резонансному потенциалу 1 в районе сетки появится область неупругих столкновений. Электроны, столкнувшиеся неупруго и потерявшие при этом энергию (почти всю, при условии выполнения соотношения (4)), не преодолеют задерживающий потенциал, вернутся на сетку и не внесут вклада в анодный ток: появится минимум на кривой тока (рис, 4, кривая «а»). В действительности упругие соударения сильно размывают распределение электронов по энергиям, что приводит к неполному исчезновению анодного тока (кривая «б») из-за наличия электронов с энергией ниже энергии возбуждения резонансного уровня, К этому же приводит наличие электронов с энергией выше порога возбуждения из-за нарушения условия (4). В размытии распределения можно убедиться по характеристикам задержки. При дальнейшем повышении ускоряющего потенциала область неупругих столкновений отодвигается к катоду, и, если на оставшемся до сетки пути электроны смогут набрать энергию, достаточную для преодоления задерживающего потенциала, ток снова начнет расти. Как только потенциал сетки превысит значение, равное удвоенному резонансному, картина повторится, появится вторая область неупругих столкновений в районе сетки, второй минимум тока и т.д. (в экспериментах с ртутью, выполненных Франком и Герцем, наблюдалось до пяти минимумов).

При выполнении условия (4) неупругие столкновения происходят не по всему объему лампы, а лишь в областях с потенциалом, кратным резонансному, и имеющих размер вдоль электрического поля порядка длины пробега. Появление каждой новой зоны неупругих столкновений по мере увеличения ускоряющего потенциала сопровождается появлением нового провала тока, глубина которого зависит от самого тока, давления, задерживающего потенциала, сечения возбуждения и т.д. Разность потенциалов между максимумами тока соответствует разности потенциалов между зонами неупругих столкновений, то есть, равна резонансному потенциалу. Отметим (с большой достоверностью можно считать), что нигде в лампе (если выполнено условие (4)) энергия электронов не превышает величины
и недостаточна для возбуждения уровней выше резонансного.

Таким образом, задача эксперимента заключается в подборе режима (давление, ток накала, ускоряющий и задерживающий потенциалы), обеспечивающего получение наилучших анодных характеристик и характеристик задержки ламп. Лампы наполнены парами ртути или инертным газом, выбранным для этого эксперимента из-за специфической функции возбуждения 1 резонансного уровня, облегчающей получение зон неупругих столкновений с более четкими границами, а также простоты регулирования давления насыщенных паров ртути путем нагрева.