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