Опыты Франка и Герца

Согласно постулатам Бора уровни энергий внутри атома должны принимать дискретные значения.

Изучая методом задерживающего потенциала столкновения электронов с атомами газов, в 1913 году Д.Франк и Г.Герц экспериментально доказали дискретность значений энергии атомов. Принципиальная схема установки Франка и Герца приведена на рис.15. В трубке находились пары ртути при низком давлении (порядка мм рт. ст.). За счет термоэлектронной эмиссии из катода вылетали электроны, которые ускорялись разностью потенциалов, приложенной между катодом и сеткой. Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле, тормозившее движение электронов к аноду. Определялась зависимость анодного тока от напряжения между катодом и сеткой. Такая зависимость приведена на рис.16.

Рис.15. Принципиальная схема установки Франка и Герца

Рис.16. Зависимость анодного тока от напряжения между катодом и сеткой

До тех пор пока энергия электронов меньше энергии первого уровня возбуждения атомов ртути, соударения электронов с атомами ртути носят упругий характер. При таких соударениях электроны почти не теряют свою энергию, проскакивают через сетку , и все электроны участвуют в создании анодного тока. Когда же энергия электронов достигает или превосходит энергию первого уровня возбуждения атомов ртути, происходит неупругое соударение. Электроны передают энергию атомам, они возбуждаются, а сами электроны теряют свою энергию. Поэтому резко уменьшается число электронов, проскочивших через сетку и достигших анода . Анодный ток резко падает. При дальнейшем увеличении анодного напряжения энергия электронов также растет и превышает первый уровень энергии возбуждения атомов ртути. Соударения опять становятся упругими, все электроны проскакивают сетку, и анодный ток вновь растет. Растет и энергия электронов. Однако при достижении электронами энергии второго уровня возбуждения атомов ртути соударения становятся неупругими, и опять происходит падение анодного тока. То же происходит и для третьего уровня возбуждения.

Таким образом, эксперимент Франка и Герца показывал, что уровни энергий атомов ртути имеют дискретный характер, что подтверждает постулаты Бора.

Достоинства и недостатки теории Бора

Совпадение выводов теории Бора с опытными фактами стало важным этапом в развитии теории атома. Бор показал, что к атомам нельзя применять законы классической физики.

Однако после первых успехов теории Бора пошли сплошные неудачи. Теория Бора не смогла объяснить характер спектров следующего за водородом атома гелия. Хотя он является самым простым после водорода атомом.

Самой слабой стороной теории Бора была её внутренняя логическая противоречивость: с одной стороны, использовался классический закон Ньютона, с другой – квантовые постулаты, т.е. она не была ни последовательно классической, ни последовательно квантовой теорией.

В настоящее время, после открытия волновых свойств вещества, совершенно ясно, что теория Бора, опирающаяся на классическую механику, могла быть только переходным этапом на пути к созданию последовательной теории атомных явлений.