Опыт Франка и Герца (1914)
Схема экспериментальной установки, на которой работали Франк и Герц, представлена на рис. 12.7.
Рис. 12.7
Рис. 12.8
В стеклянной колбе, содержащей пары ртути при давлении порядка 1 мм рт.ст., смонтированы анод А, подогреваемый катод К и сетка С.
С помощью потенциометра Пможно менять напряжение между катодом и сеткой. Это напряжение является ускоряющим для термоэлектронов, покидающих катод.
Важный момент. Между анодом и сеткой создана тормозящая разность потенциалов порядка 0.5 В, то есть на анод подан отрицательный потенциал относительно сетки.
На рисунке 12.8 можно видеть как меняется анодный ток в этой установке при монотонномувеличении ускоряющего напряжения между сеткой и катодом.
Такая необычная зависимость анодного тока от напряжения связана с дискретностью энергетических уровней атомов ртути.
Атом ртути может поглощать порции энергии только вполне определенных величин
∆E1 = E2 – E1, ∆E2 = E3 – E1 и так далее.
Термоэлектроны, появившиеся на катоде устремляются к сетке. В своем движении они сталкиваются с атомами ртути, но до тех пор, пока кинетическая энергия электронов меньше величины ∆Е1, эти взаимодействия носят упругий характер. В результате таких соударений электроны практически не теряют энергии. Достигнув сетки, электроны проникают в область между сеткой и анодом и, преодолев тормозящее действие местного поля, достигают анод. Так замыкается цепь и обеспечивается течение анодного тока.
С увеличением ускоряющего напряжения, растет число электронов, достигающих анод, и растет анодный ток. Так продолжается до тех по, пока растущая энергия электронов не достигнет значения ∆Е1. Теперь взаимодействие электрона с атомом ртути будет носить неупругий характер.
Электрон передаст свою энергию атому ртути, а оставшейся энергии оказывается недостаточно, чтобы преодолеть тормозящее поле между сеткой и анодом. Электрон этим полем отбрасывается назад к сетке. Это первое падение анодного тока, после напряжения U = 4.9 В.
При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения упомянутая энергия ∆Е1будет достигаться электронами не у самой сетки, а раньше, ближе к катоду. Это означает, что после неупругого взаимодействия с атомом ртути, электрон имеет возможность на оставшемся участке до сетки увеличить свою энергию настолько, чтобы преодолеть тормозящее напряжение.
Вновь можно наблюдать рост тока с увеличением напряжения.
При ускоряющем напряжении больше U> 9.8 В, электроны на пути от катода к сетке дважды претерпевают неупругое взаимодействие с атомами ртути. И второе из двух соударений – у самой сетки.
Вновь электроны теряют всю свою энергию на пороге тормозящего поля, и будут отброшены им назад к сетке.
Такая избирательность атомов в отношении к порциям энергии, которые ими могут быть восприняты, является прямым доказательством одного из главных положений квантовой теории - дискретности энергетических уровней атома.
Итог лекции 12
1. Спектр излучения атомарного водорода. Обобщенная формула Ьальмера:
.
Постулаты Бора:
,m= 1, 2, 3,...
.