Досліди Франка і Герца
ФІЗИКА
Частина 5 АТОМНА ФІЗИКА
Розділ 15 БУДОВА АТОМА
15.6. Досліди Франка і Герца
Постулати Бора знайшли експериментальне підтвердження в дослідах Д. Франка і Г. Герца, які було виконано 1913 р. У цих дослідах вивчалось проходження пучка електронів, які прискорювались в електричному полі, крізь пару ртуті. Схему експериментальної установки зображено на рис. 15.7.
Рис. 15.7
У скляну посудину, що містила ртутну пару при тиску близько 13,3 Па, було впаяно підігрівний катод К, який випромінював електрони, анод
При проходженні електронів крізь ртутну пару вони зазнавали зіткнень з атомами меркурію. Ці зіткнення могли бути двох типів: пружними, коли швидкість та енергія електронів не змінюються, а змінюється лише напрям руху електронів; та непружними, коли електрони втрачають свою енергію, передаючи
Пружні зіткнення електронів з атомами меркурію не можуть перешкодити руху електронів до анода. При цьому зростання різниці потенціалів U1 між К і S має спричинювати збільшення сили анодного струму. Непружні зіткнення можуть призводити практично до повної відсутності анодного струму. Це пояснюється тим, що у разі непружних зіткнень електронів з атомами меркурію вони втрачають свою енергію і не можуть подолати слабке гальмівне поле між сіткою S і анодом, що веде до зменшення сили анодного струму.
Відповідно до другого постулату Бора атом меркурію може поглинати лише таку кількість енергії, яка виявиться достатньою для його переходу в один із збуджених стаціонарних станів. Найближчим до основного, незбудженого стану атома меркурію є збуджений стан, енергія якого вища на 4,86 еВ. Тому поки електрони, що прискорюються полем, не набудуть енергії еU1 = 4,86 еВ, вони зазнають лише пружних зіткнень з атомами, не втрачаючи при цьому своєї енергії, і, долаючи гальмівне поле між сіткою і анодом, досягають аноду. При цьому зі збільшенням напруги між катодом і сіткою сила анодного струму зростає. Проте щойно енергія електронів досягає значення 4,86 еВ, стають можливими непружні зіткнення їх з атомами меркурію, внаслідок яких електрони повністю втрачають свою енергію. В цьому разі вони не можуть подолати гальмівного поля між S і А і не досягають анода. Енергія таких електронів витрачається на здійснення переходу атомів меркурію з нормального енергетичного стану у збуджений.
Отже, при різниці потенціалів між катодом і сіткою, що дорівнює 4,86 В, спостерігається різке зменшення сили анодного струму. При різниці потенціалів 24,86 В, 34,86 В і т. д., коли електрони можуть зазнати двох, трьох і т. д. непружних зіткнень з атомами меркурію і втратити при цьому повністю свою енергію, сила анодного струму також різко зменшується. Характерна залежність сили анодного струму від різниці потенціалів U1 між катодом і сіткою в дослідах Франка і Герца зображено на рис. 15.8. При U1, що дорівнюють 4,86, 9,72, 14,58 В, сила анодного струму спадає. Це підтверджує справедливість першого постулату Бора про стаціонарні стани атомів.
Рис. 15.8
У дослідах Франка і Герца дістав експериментальне підтвердження і другий постулат Бора (правило частот). Ртутна пара, що містилась у трубці і з якою проводились досліди, виявилась джерелом ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 253,7 нм. Випромінювання ртутної пари пов’язане з тим, що атоми меркурію, які набувають при зіткненні з електронами надлишку енергії, перебувають у збудженому стані близько 10-8 с, а потім повертаються в основний, нормальний енергетичний стан. Відповідно до другого постулату Бора в момент переходу атома в нормальний стан випромінюється фотон з енергією ΔЕ = hν. За відомим значенням ΔЕ = 4,86 еВ (1 еВ = 1,6 ∙ 10-19 Дж) можна обчислити довжину хвилі світла, що випромінюється,
Отже, розраховане значення довжини хвилі випромінюваного світла збігається з довжиною хвилі, яку встановлено експериментально.
Теорія Бора мала велике значення для створення атомної фізики, особливо для розвитку атомної і частково молекулярної спектроскопії. За допомогою теорії Бора величезний експериментальний матеріал про спектри атомів і молекул було систематизовано і зведено до напівемпіричних закономірностей. Проте теорії Бора притаманна внутрішня суперечність, яка полягає в тому, що в ній класична фізика поєднується з квантовими постулатами, які суперечать їй. Найбільш серйозною невдачею теорії Бора була неможливість за її допомогою побудувати теорію атома гелію і, взагалі, будь-яких систем, що складаються з ядра і мають більше ніж один електрон. Дальший розвиток фізики показав, що теорія Бора, яка правильно пояснювала одні факти і виявилась неспроможною тлумачити інші, є певним перехідним етапом на шляху до створення послідовної теорії атомних явищ. Такою теорією є квантова механіка.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...