Определение потенциалов возбуждения атома

Согласно теории Бора, атом может находиться только в опреде­ленных стационарных состояниях с дискретными значениями энергии Е₀, Е₁, Е₂,... Поглощение или излучение энергии происходит лишь при переходе атома из одного стационарного состояния в дру­гое. При этом поглощается или испускается квант света, частота которого определяется из условия

hν_nm=E_n-E_m (1)

При отсутствии каких-либо воздействий атом находится в состоя­нии с минимальной энергией Е₀. Для перехода в более высокое энер­гетическое состояние атом необходимо возбудить, т.е. сообщить ему определенную порцию энергии. Это возбуждение может быть осуществ­лено различными способами. Франк и Герц использовали для этой цели столкновения с атомами свободных электронов. Принципиальная схема опыта представлена на рис. 6.

Трехэлектродная трубка, аналогичная вакуумному триоду, заполнялась разреженными парами ртути. Вылетающие из катода элек­троны ускорялись положительным потенциалом V, наложенным на се­тку С. На анод А подавался потенциал, несколько меньший, чем на сетку, так что между С и А создавалось задерживавшее поле с нап­ряжением U_з порядка 0.1 – 0.5 В. Измерялась зависимость величи­ны анодного тока I от ускоряющего потенциала U. Результаты из­мерения приведены на рис. 7.

Кривая I(U) состояла из ряда максимумов, первый из которых приходился на 4.9 В. Расстояние между максимумами оказалось оди­наковым и равным также 4.9 В. Объяснение этих закономерностей заключается в cледующем.

Ускоренные электроны сталкиваются с атомами ртути в простран­стве между катодом и сеткой. Если их энергия меньше 4.9 эВ, то столкновения носят упругий характер, т.е. не сопровождаются передачей атому какой-либо энергии. Электроны после таких столкновений способны преодолеть задерживающее поле U_з и достигнуть анода. Поэтому при увеличении ускоряющего потенциала от нуля ток возра­стает по закону, характерному для термоэлектронных приборов. Это соответствует участку АВ на рис. 7. Когда кинетическая энергия электронов достигает 4.9 эВ, их столкновения с находящимися у сет­ки атомами становятся неупругими. Электроны передают всю свою энергию атомам, и, потеряв скорость, задерживаются встречным полем и не попадают на анод. Величи­на анодного тока резко уменьшается, что соответствует участку ВС на рис. 7. При дальнейшем повышении напряжения U энергия 4.9 эВ дости­гается электронами уже перед сеткой на некотором расстоянии от нее, например, в точке М. Теперь электроны, сталкиваясь неупруго с атомами, теряют энергии уже в этой точке. Но на остатке пути, т.е. вдоль пути МC, они снова ускоряются и могут преодолеть задерживающую разность потенциалов U_з. Ток вновь возрастает (участок СD на рис.7). Когда ускоряющий потенциал достигает 9.8 В, электроны на своем пути сталкиваются неупруго с атомами ртути дважды: первый раз посередине между катодом и сеткой, и второй раз - непосредственно перед сеткой. В результате ток снова начи­нает падать.

Эти опыты показали, что минимальная энергия, которую электрон может передать атому ртути, в результате неупругого столкновения, составляет величину 4.9 эВ. Следовательно, у атома ртути есть, по крайней мере, два энергетических состояния: невозбужденное (или основное) с энергией E₀ и первое возбужденное состояние с энергией E₁ = Е₀ + 4.9 эВ. Ускоряющий потенциал, при котором энергия электронов становится достаточной для перевода атома в первое возбужденное состояние, называется первым потенциалом возбуждения. Для атома ртути его величина составляет 4.9 В.

Кроме первого у атома ртути имеются и другие, более высо­кие энергетические состояния Е₂, Е₃, … и соответствующие потенциалы возбуждения. Они также могут быть найдены при помощи метода электронных соударений. Однако экспериментальная методика для этой цели должна быть видоизменена.

Таким образом, описанный опыт дал непосредственное подтверждение первого постулата Бора о дискретности энергетических состоя­ний атома. В последующих опытах Франк и Герц попытались прове­рить и второй постулат, или условие частот (1). Они исходили из того, что атомы ртути, получив энергию 4.5 эВ, переходят в воз­бужденное состояние, и при обратном переходе в нормальное состо­яние должны излучать кванты света с энергией, в точности разной 4.9 эВ. Длина волны такого излучения должна составлять 2533 Ǻ. В 1921 г. Франк и Герц действительно обнаружили свечение паров ртути при бомбардировке их электронами с энергией 4.9 эВ. Спектр излучения состоят из одной монохроматической линии с длиной вол­ны 2537 Ǻ.

Признанием исключительной важности опыта Франка и Герца для paзвития атомной физики можно считать присуждение в 1925 авторам Нобелевской премии.