Лабораторная работа № 4 опыт франка и герца
Краткие теоретические сведения
Целью настоящей работы является обнаружение дискретных уровней энергии атомов посредством эффекта, впервые открытого Дж. Франком и Г. Герцем в 1913 году.
Эти опыты сыграли важную роль в развитии квантовой теории и создании современной теории строения атома. Они явились одним из убедительных подтверждений положений, постулированных Н. Бором.
В своих постулатах Бор предположил, что возможные энергии атомов образуют дискретный ряд значений W1, W2, ..., Wn, соответствующих их различным стационарным состояниям. При переходе из одного стационарного состояния в другое атом поглощает или испускает квант энергии. Если атом переходит из стационарного состояния с энергией Wi в состояние с энергией Wk , то величина испускаемого или поглощаемого им кванта энергии определяется соотношением:
.
(1)
Энергия, которую теряет атом при переходе из одного состояния в другое, проявляется в виде энергии одного фотона, поэтому уравнение (1) можно записать в виде:
,
(2)
известного под названием «условие частот Бора».
Опыт Франка и Герца
Атомы газа, находящиеся в некотором сосуде, облучаются пучком сравнительно медленных электронов, для которых известно начальное распределение скоростей; в ходе опытов определяется конечное распределение электронов за счет их соударений с атомами.
Выяснилось, что электроны сталкиваются с атомами упруго и неупруго. При упругих столкновениях скорость электрона, взаимодействующего с атомами, практически не меняется по величине, может измениться только ее направление. В этом случае сталкивающиеся электроны практически не передают атому энергию.
При неупругих столкновениях вследствие того, что масса электрона значительно меньше массы атома, он передает почти всю свою энергию. В результате такого столкновения атом должен перейти в другое стационарное состояние. Следовательно, исследуя распределение скоростей электронов до и после соударений с атомами газа, можно установить, при каких условиях происходят упругие и неупругие столкновения, т. е. в каком случае энергия атома изменяется и в каком случае она остается неизменной.
В результате опытов Франка и Герца оказалось, что:
при скоростях электронов, меньше некоторой критической скорости, соударение происходит вполне упругое;
при скоростях, достигающих критической скорости, удар происходит неупруго, т. е. электрон теряет свою энергию и передает ее атому.
Рассмотрим сначала основные требования, которым должна удовлетворять экспериментальная установка, предназначенная для изучения соударения медленных электронов с атомами:
источник электронов должен давать достаточно большое число медленных электронов с определенным начальным распределением скоростей;
этим электронам можно сообщать любую заранее известную скорость путем приложения извне ускоряющего потенциала;
ускоренные электроны должны испытывать соударения с исследуемыми атомами в определенном месте аппарата.
Таким условиям удовлетворяет специальный сосуд с откаченным воздухом с введением в него одного определенного газа. В сосуде должен быть катод, испускающий электроны за счет термоэмиссии, и сетка, на которую подают ускоряющее напряжение, и анод, собирающий электроны.
Понятно, что такие условия могут быть реализованы в соответствующей трехэлектродной лампе.