Теоретическая часть. Опыты Франка и Герца, выполненные в 1913-1914 гг., показали, что внутренняя энергия атома не может изменяться непрерывно

Опыты Франка и Герца, выполненные в 1913-1914 гг., показали, что внутренняя энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает лишь определенные дискретные значения. Они являются непосредственным экспериментальным подтверждением постулатов Бора, которые были сформулированы в 1913 г. для построения теории атома водорода. Теория Бора, основывающаяся на ядерной модели атома Резерфорда, впервые позволила описать основные свойства атома водорода и, в том числе, объяснить закономерности в спектре испускаемого им электромагнитного излучения.

Согласно эмпирическим данным, полученным к началу XX века, атомные спектры являются линейчатыми, т. е. состоящими из отдельных закономерно расположенных линий, объединенных в группы (серии линий). Линейчатость атомных спектров в двух постулатах Бора связывается с дискретностью процессов внутри атома.

1. Атом может находиться в лишь некоторых избранных состояниях, удовлетворяющих определенным квантовым условиям и характеризующимся прерывными значениями энергии , , … В этих устойчивых состояниях, называемых стационарными, атом не излучает электромагнитных волн вопреки классическим представлениям.

2. При переходе из одного стационарного состояния в другое атомом испускается или поглощается световой квант с энергией , равной

.

Поскольку возможные значения внутренней энергии атома являются дискретными, то атом может поглощать или испускать лишь порции энергии, равные разности энергий двух стационарных состояний. Поэтому атому нельзя передать энергию меньше той, которая необходима для перевода его из основного стационарного состояния с наименьшей энергией в первое возбужденное состояние с энергией .

В опытах Франка и Герца для сообщения атому определенных порций энергии использовалась бомбардировка атомов электронами, разогнанными электрическим полем. Если энергия электронов, ускоренных разностью потенциалов U _уск, будет меньше энергии , необходимой для перевода атома в первое возбужденное состояние, то столкновение между электроном и атомом будет упругим. При таком столкновении электрон практически не передает атому своей энергии, а лишь изменяет направление движения. Если же энергия электрона превышает , то столкновение между ним и атомом может быть неупругим. При этом электрон передаст атому такое количество энергии, которое необходимо для перевода его в возбужденное состояние.

Опыты Франка и Герца показали, что, начиная с некоторого, вполне определенного значения энергии электрона, происходят его неупругое столкновение с атомом. Разность потенциалов U _уск = , сообщающая электрону такую энергию, называют первым или резонансным потенциалом возбуждения атома. Численно он равен энергии возбуждения , выраженной в электрон-вольтах.

Если электрон, двигаясь в электрическом поле, приобретает энергию, превышающую величину , то в результате его неупругого столкновения с атомом, последний может перейти в возбужденное состояние с энергией .

При соударении с атомами электронов с энергией, достаточной для неупругого столкновения, возбуждение атомов производит лишь некоторая доля электронов. Величина этой доли неодинакова для различных атомов и зависит от скорости электронов, т.е. от их энергии.

Атомы, перешедшие в возбужденное состояния в результате неупругого столкновения с электроном, за время порядка с возвращаются в основное состояние, излучая квант электромагнитного излучения - фотон, частота которого определяется вторым постулатом Бора.