ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА
Другим экспериментом, давшим важные для теории атомов результаты, был опыт Франка и Герца: Исследовалось поглощение энергии атомами при их столкновениях с электронами. Схема опыта представлена на рис. IV.54. В трубке
с парами ртути находятся подогреваемый катод К (источник электронов) и сетка С. При помощи батареи
многоомного сопротивления
и движка
в трубке создаётся электрическое поле, разгоняющее электроны по направлению к сетке С (движок
позволяет изменять разность потенциалов V между катодом и сеткой). Между сеткой и вторым электродом
приложена небольшая разность потенциалов (Уторм
тормозящая движение электронов, вследствие чего электроны, прошедшие через сетку с малыми скоростями, не могут попасть на электрод
На опыте измерялись напряжение V между катодом и сеткой и ток
в участке
регистрируемый чувствительным гальванометром
Рис. IV.54
Допустим, что столкновения электронов с атомами ртути являются упругими, при которых сохраняются импульсы и кинетические энергии соударяющихся тел (см.
§ 13). При каждом отдельном столкновении произойдет некоторое изменение скорости электрона по величине; однако при большом числе столкновений с различными ориентациями скоростей и при отсутствии электрического поля изменение энергии электрона в среднем будет равно нулю. Если же к трубке приложено электрическое поле, то оно будет непрерывно увеличивать скорость электронов независимо от сложности их траектории. Вблизи сетки энергия электронов будет равна
пренебрегать начальной энергией при выходе из катода), и так как
, то электроны смогут преодолеть тормозящее поле на участке
и попасть на электрод
Поэтому следует ожидать, что по мере увеличения разгоняющего потенциала V ток
в цепи гальванометра должен монотонно увеличиваться. Однако измерения показали, что ток при определенных значениях У, кратных 4,9 В, резко убывает (рис. IV.55). Для объяснения этого результата пришлось сделать два предположения:
1) столкновения между электронами и атомами ртути могут быть неупругими, при которых кинетическая энергия электрона расходуется на изменение внутреннего состояния атома ртути (на возбуждение или ионизацию);
2) при этих столкновениях атом ртути поглощает энергию трлько определенными «порциями», равными
Если энергия электрона меньше этой величины, то поглощения энергии не происходит и столкновение оказывается упругим. Если же электрон имеет энергию, превышающую
то столкновение может быть неупругим; при этом энергия, равная
поглощается атомом ртути, а избыток остается у электрона в кинетической форме.
Резкое падение тока
при
показывает, что первое неупругое столкновение произошло вблизи сетки С, приближаясь к которой электрон успел приобрести необходимую для этого энергию; оставшаяся после столкновения энергия будет недостаточна для преодоления тормозящего потенциала Уторм и электроны не достигнут электрода А. При постепенном увеличении V место неупругого столкновения будет отодвигаться от сетки; на оставшемся до сетки участке пути электроны будут вновь ускоряться и ток
с увеличением V будет опять монотонно возрастать. Второе падение тока при
объясняется тем, что на участке
произошли два неупругих столкновения: одно — посередине, второе — вблизи сетки. Последующие падения тока
будут происходить при таких значениях V, при которых на участке
возможны три, четыре неупругих столкновения и более (причем последнее из таких столкновений — возле сетки).
Рис. IV.55
Эти опыты были повторены с другими газами; для паров натрия резкие изменения тока
наблюдались при напряжениях, кратных 2,1 В, для цинка — при 4,1 В, для гелия — при 19,75 В и т. д.
На основе приведенного выше объяснения опыта Франка и Герца можно сделать еще одно предположение: если энергия
затрачивается на перевод атома ртути в возбужденное состояние, то можно ожидать, что при возвращении в нормальное состояние эти атомы будут испускать фотоны с энергиями
Это предположение оказалось верным: обнаруженное от трубки ультрафиолетовое излучение имело длину волны
расчет же дает