Опыт Франка и Герца

Опыт франкаСогласие результатов расчета спектра водорода с экспери­ментальными результатами было большим успехом теории Бора, но не являлось прямым доказательством существования стационарных состояний атома, квантования энергии атома. Первым экспериментом, в котором был установлен факт дискретности энергетических состояний атома, был опыт Дж. Франка и Г. Герца. В этом опыте, выполненном в 1913 г., исследовались столкновения электронов с атомами ртути.

В стеклянной трубке находились пары ртути. Электроны, вылетевшие из катода К. нагреваемого электри­ческим током, ускоряются электрическим полем между катодом К и сеткой С. Их кинетическая энергия mv2/2 при достижении сетки равна работе электрического поля eU (е — заряд электрона, U — ускоряющее напряжение). Между сеткой С и анодом А элек­троны тормозятся электрическим полем, создаваемым батареей G2 Напряжение между сеткой С и анодом А равно 0.5 В.

Исследовалась зависимость силы тока в цепи анода от напря­жения между катодом и сеткой. Оказалось, что, пока напряжение между сеткой и катодом не превосходит 4,9 В, возрастание напряжения сопровождается увеличением силы тока в цепи. Объясняется это тем, что с увеличением напря­женности поля все большая часть электронов, вылетающих из катода, преодолевает область, где электрическое поле объемного заряда, создаваемого электронным облаком вблизи катода, препятствует движению вновь вылетающих электронов от катода к аноду.

Резкое уменьшение силы тока в цепи анода при достижении напряжения 4,9 В между катодом и сеткой заставляет сделать вывод о том, что электроны, обладающие кинетической энергией 4,9 эВ, полностью теряют ее в результате столкновений с атомами ртути.

Взаимодействие атома с электроном или другой частицей, в результате которого часть кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атома, называется неупругим столкновением. Кинетическая энергия электронов после такого соударения оказывается близкой к нулю, поэтому даже слабое встречное поле между сеткой и анодом не пропускает их к аноду и сила тока в цепи анода уменьшается. Таким образом, передача энергии от электронов к атомам ртути наблюдается при дости­жении энергии 4,9 эВ. При меньших значениях энергии проис­ходят только упругие столкновения электронов с атомами ртути, при которых электроны не передают им энергию.

Исходя из этих результатов можно сделать вывод, что разность энергий первого возбужденного стационарного состоя­ния атома ртути Е2 и основного стационарного состояния Е1 равна 4,9 эВ:

Е2 - Е1 = 4,9 эВ.

Этот вывод подтверждается еще одним эффектом. Атомы ртути, переведенные в результате неупругого столкновения с электро­нами из основного состояния в первое возбужденное состояние, должны через короткое время самопроизвольно возвратиться в основное состояние с излучением фотона.

Наблюдения показали, что пока напряжение между катодом и сеткой меньше 3,9 В, пары ртути не излучают. При дости­жении напряжения 4,0 В пары ртути испускают ультрафиолетовое излучение с указанной частотой. Таким образом, опыты Франка и Герца явились экспериментальным подтверждением правильности основных положений теории Бора.