Определение потенциала возбуждения атома (опыт франка и герца)

Цель работы: изучение дискретной структуры энергетического спектра атома. Экспериментальное определение первого потенциала возбуждения атома.

Приборы и оборудование: лабораторная установка, собранная по схеме рис. 1.

Теоретическое введение

В соответствии с моделью Резерфорда атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Согласно классической механике, такая система может находиться в равновесии, если электроны вращаются вокруг ядра [1]. С точки зрения классической электродинамики, движущиеся с ускорением электроны должны излучать энергию в виде электромагнитных волн [2]. При этом частота вращения электронов должна непрерывно меняться, а сами они, с одной стороны, должны падать на ядро и, с другой стороны, - излучать сплошной спектр. Однако эксперимент показывает, что атомы являются стабильными системами и их спектры испускания имеют линейчатый характер, что противоречит выводам классической теории.

Неприменимость классической физики к описанию явлений микромира была впервые с полной ясностью показана Н. Бором. В основу развитой им теории строения атома положены следующие два постулата [1]:

1. Атомы и атомные системы могут длительно пребывать только в стационарных состояниях. Находясь в стационарных состояниях, атом не испускает и не поглощает энергии, несмотря на происходящее в нем движение заряженных частиц. Энергии, которыми обладают атомные системы в этих состояниях, образуют дискретный ряд Е₁, Е₂, , Е_n,

2. При переходе из одного стационарного состояния в другое атомы испускают или поглощают излучение только строго определенной частоты. Частота излучения, испускаемого или поглощаемого при переходе атома из состояния с энергией E_k в состояние с энергией E_n, определяется из условия частот Бора:

(E_k –E_n)/h.

Постулаты Бора резко противоречат положениям классической теории и позволяют объяснить наблюдаемые экспериментально факты: устойчивость атомных систем и линейчатый характер их спектров.

Стационарное состояние, в котором атом обладает наименьшей энергией, называется основным (нормальным) состоянием. В результате поглощения энергии атом может перейти в стационарное состояние с большей энергией – в возбужденное состояние. Возбуждение атомов осуществляется различными способами: облучением вещества электромагнитным излучением, нагреванием его до высоких температур, неупругими столкновениями атомов с медленными электронами и т.д.

Квантовые постулаты Бора нашли непосредственное экспериментальное подтверждение в опытах Франка и Герца [1, 3]. Принципиальная схема установки показана на рисунке. 1.

Основной частью установки является трубка, в которой исследуемый газ создает давление ~1 мм рт.ст. (в опыте Франка и Герца, 1913 г., трубка была заполнена парами ртути). Внутри трубки размещены подогреваемый катод К, являющийся эмиттером электронов, сетка С и анод А. На сетку подается ускоряющий потенциал V_C, величина которого может плавно меняться. Между анодом и сеткой приложена задерживающая разность потенциалов V_CA~0,5 В. Задача опыта состоит в изучении зависимости силы тока в анодной цепи I_A от ускоряющего потенциала .

При увеличении ускоряющего потенциала V_C от нуля сила тока первоначально возрастала (рисунок 2); кривая зависимости I_A=f(V_C) имела вид, обычный для вольтамперной характеристики термоэлектронного прибора. Для ртути при потенциале U₁4,1 В ток резко падал, затем вновь начинал расти. Когда потенциал сетки достигал значения U₁9,0 В, вновь обнаруживалось резкое падение силы тока, далее он возрастал при повышении потенциала до 13,9 В.

На кривой I_A=f(V_C) было отмечено несколько максимумов, отстоящих друг от друга на расстояние 4,9 В. Тот факт, что первый максимум обнаруживается при V_C ~ 4,1 В, а не при 4,9 В, объясняется наличием контактной разности потенциалов, смещающей всю кривую влево без изменения расстояний между максимумами.

Такой ход зависимости I_A=f(V_C) объясняется тем, что вследствие дискретности энергетического спектра атомы могут принимать энергию только определенными порциями E₂ – E₁ , E₃ – E₂ и т.д., где E_1, E_2, E₃, - энергии первого, второго, третьего и т.д. стационарных состояний атома. Пока энергия электронов остается меньше энергии, необходимой для перевода атома из основного состояния (с энергией E₁) в первое возбужденное (с энергией E₂), их соударения носят упругий характер. Когда же энергия электрона удовлетворяет условию eV_C≥ E₂ - E₁, их соударения с атомами сопровождаются передачей энергии атомам (неупругие соударения). Если оставшейся у электрона после столкновения с атомом энергии недостаточно для преодоления им задерживающего поля V_C, электрон задерживается сеткой, а сила тока в анодной цепи резко уменьшается. Следовательно, энергия 4,9 эВ для атомов ртути имеет особое значение. Если E₁ - энергия основного состояния атома ртути, то величина E₁+ 4,9 эВ определяет его энергию в первом возбужденном состоянии.

Отношение энергии, необходимой для перехода атома из основного в первое возбужденное состояние, к заряду электрона называется первым (резонансным) потенциалом возбуждения: V₁=( E₂ - E₁)/e. По характеристике, изображенной на рисунке 2, можно определить только первый потенциал возбуждения ртути, равный 4,9 В. При потенциале V_C = 9,0 В энергия электрона оказывается достаточной для перевода в возбужденное состояние двух атомов ртути.

При определении потенциалов возбуждения, отвечающих переходам атома в состояния с энергиями E₃,. E₄,…, E_n ,… методика эксперимента должна быть несколько видоизменена (смотри, например, [1]).