Лабораторная работа № 5. Опыт Франка – Герца

Опыт Франка – Герца

Дискретность атомных уровней проявляется во многих явлениях и, в первую очередь, в опытах по возбуждению и ионизации атомов в результате столкновения их с электронами. Столкновения бывают 2 видов: упругие и неупругие. Если сумма кинетических энергий двух тел до соударения равна сумме кинетических энергий этих тел после соударения, хотя и распределены эти энергии между ними по другому, то столкновение является упругим. Если же часть кинетической энергии пойдет на изменение внутреннего состояния одного из сталкивающихся тел, то такое столкновение является неупругим. Поскольку масса электрона значительно меньше массы атома, то его кинетическая энергия при упругом столкновении с атомом меняется незначительно – происходит только изменение направления скорости.

Для доказательства существования неупругих столкновений Франком и Герцем был проведен целый ряд опытов. Общая схема одного из вариантов установки, с помощью которой проводились такие опыты, приведена на рис. 3.1.

Электроны от нити накала К ускорялись отрицательным потенциалом, наложенным на нить. В пространстве между нитью и сеткой С эти электроны испытывали многочисленные соударения и попадали в конце концов на воспринимающую пластинку А. Гальванометр G, соединенный c пластинкой А, измерял ток пластинки. Сетка С, заряженная слабо положительно относительно пластинки А, помещалась непосредственно перед пластинкой. Назначение сетки заключалось в том, чтобы вылавливать электроны, почти полностью потерявшие свою энергию вследствие неупругих соударений. Опыт производился в парах ртути при давлении мм рт.ст.и состоял в измерении тока пластинки А в зависимости от ускоряющего потенциала, наложенного на нить К.

На рис. 3.2 показана зависимость силы тока I, измеряемого гальванометром, от потенциала j нити К. При увеличении ускоряющего потенциала от нуля ток первоначально возрастал, причем кривая тока имела обычный вид вольт-амперных характеристик термоэлектронных приборов. Но при потенциале около 4,1 В ток внезапно резко падал, а затем вновь начинал возрастать до потенциала 9,0 В, при котором вновь обнаруживалось резкое падение тока и новое его возрастание до потенциала 13,9 В. Таким образом, вся кривая представляла собою ряд острых максимумов, отстоящих друг от друга на расстояние 4,9 В. Тот факт, что первый максимум обнаруживался не при 4,9 В, а при 4,1 В, объясняется тем, что к наложенному ускоряющему потенциалу прибавляется контактная разность потенциалов, смещающая всю кривую, не изменяя расстояния между максимумами.

Истолкование подобного вида кривой состоит в следующем. До тех пор пока энергия электрона не достигнет 4,9 В, он испытывает с атомами ртути упругие соударения, и ток возрастает с увеличением потенциала по обычному закону. При потенциале 4,9 В удар становится неупругим, электрон отдает атому ртути всю свою энергию. Эти электроны не попадут на пластинку А, так как будут выловлены сеткой С, и ток пластинки резко упадет. Если энергия электронов заметно превосходит 4,9 В, то такие электроны, потеряв часть своей энергии при неупругом соударении, сохраняют достаточно энергии, чтобы преодолеть положительно заряженную сетку и достигают пластинки А. Ток снова начинает возрастать. В результате опытов Франка и Герца было доказано следующее:

1) При скоростях электронов, меньших некоторой критической скорости, соударение происходит упруго, т. е. электрон не передает атому своей энергии, а лишь изменяет направление своей скорости.

2) При скоростях, достигающих критической скорости, удар происходит неупруго, т.е. электрон теряет свою энергию и передает ее атому, который при этом переходит в другое стационарное состояние, характеризуемое большей энергией.

Таким образом, атом или вообще не воспринимает энергию (упругий удар), или воспринимает ее в количествах, равных разности энергий в двух стационарных состояниях. Эта энергия, деленная на заряд электрона, называется потенциалом возбуждения. Первый потенциал возбуждения, равный для ртути 4,9 В, называется резонансным потенциалом и соответствует переходу атомов с нижнего энергетического уровня на ближайший верхний.

Лабораторная работа № 5