Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Опыт Франка–Герца

В этом опыте, поставленном в 1913 году Джеймсом Франком (1882–1964) и Густавом Людвигом Герцем (1887–1975) исследовались пары ртути на предмет наличия уровней резонансного возбуждения. Согласно постулатам Бора электроны в атомах ртути должны были иметь возможность находиться на одной из дискретного набора стабильных орбит, между которыми могли происходить скачкообразные переходы. Соответственно, чтобы такой переход произошел, атому нужно передать, или наоборот, отобрать у него, энергию, равную разности энергий двух уровней:

Самый низший возбужденный уровень в атомах ртути соответствует .

В опыте Франка–Герца в длинной трубке, наполненной парами ртути, ускорялись электроны. Пока разность потенциалов между катодом и анодом была меньше , электрон разгонялся электрическим полем, но, сталкиваясь с атомами ртути, не передавал им энергию. Другими словами, столкновения были упругими. Действительно, электрону просто не хватало своей кинетической энергии, чтобы перевести один из связанных электронов атома ртути в возбужденное состояние. Поскольку энергия электрона ни на что не расходовалась, для него справедлив закон сохранения энергии:

где  — скорость электрона в точке трубки,  — ее полная длина. Как видим, скорость электронов в данной точке трубки точно такая же, как если бы в ней был вакуум. Если же напряжение между катодом и анодом было больше 4.9В, то электрон достигал энергии возбуждения в середине трубки, и в этом месте начинались его неупругие столкновения с атомами ртути, в результате чего электрон терял большую часть своей кинетической энергии. Фактически, ему приходилось начинать свой разгон с начала. Таким образом, в трубке начинала рассеиваться энергия, что с точки зрения теории постоянного тока означает возникновение у нее активного сопротивления. В эксперименте последнее проявлялось в ослаблении тока через трубку при прохождении разности потенциалов через критическое значение 4.9В (см. рис. ниже, где изображена вольтамперная характеристика трубки). Естественно, то же самое наблюдалось и при кратных разностях потенциалов: электрон за свой путь от катода к аноду успевал несколько раз разогнаться до энергии возбуждения и передать ее атому ртути.

Излучение, которое, согласно Бору, должны были испускать, возвращаясь в свое основное состояние, атомы ртути, было обнаружено в 1922 году Артуром Комптоном (1892–1962). В полном согласии со вторым постулатом Бора, это излучение имело частоту , т.е. испускаемые фотоны имели энергию , равную разности энергий возбужденного и основного состояний атома.

Резонансный характер кривой возбуждения атомов ртути и свойства их вторичного излучения являлись красноречивым аргументом в пользу квантовых идей Бора — несмотря на то, что окончательной квантовой модели атома еще не было. За свою работу в 1925 году Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>