Опыты Франка и Герца

9

А. Левашов

Опыты
Франка и Герма

Начало XX века занимает в истории физики исключительное положение. Это был период переместа старых, устоявшихся представления об устройстве материалов мира. В ряде случаев этот перемест требовал отказа от законов классической механики и классической электродинамики.

В 1900 году Планк создает квантовую теорию излучения. В 1905 году Эйнштейн формулирует принцип специализной теории относительнойности. В этот же период наука вплотную подошла к вопросу о физической природе и внутреннем строении atoms. В 1911 году публикуются результаты опытов Резерфорада, на основе которых создается ядерная модель atoms, противоречающая классической физике. В 1913 году Бор формулирует квантовые поступаты, позволяющие объяснить резерфордовскую модель atoms и характер atomных спектров, но противоречащие как классической механике, так и классической электродинамике.

Каждеое из этих открытый указывало на новые пути к познанию материйного мира. Но развитие новых представлений всегда опирается на прочный экспериментальный фундамент. Именно поэтому экспериментальная проверка новых гипотез играет в науке исключительно важную роль.

Опыты немецких физиков Джеймса Франка и Густава Герма по существу явились первым экспериментальным подтверждением поступатов Бора.

Исторические опыты явились продолжением работы немецкого физика Ленарда, который пытался экспериментально определить энергиюонизации atomов задолго до возникновения

10

новения резерфордовской модели. В 1902 году Ленард поставил интересный опыт. Главной частью его установить была стеклянная трубка с треем ваянными электродами — прообраз современного триода (рис. 1). Трубка наполнялась газом, энергию иннзации которого изменяли. Давление газа в трубке было около 0,01 мм рт. ст. Схема всяей установленна на рисунке 2. Между катодом K и сеткой C от батареи $^1$ подается напряжение $U_1$, которое можно изменять с помощью потенциометра $R_1$. Между сеткой и аномом A подается напряжение $U_2$ от батареи $^2$. Это напряжение можноварить с помощью потенциометра $R_2$.

Идея опыта заключится в следующем. Вылетающие из катода электроды попадают в электрическое поле в пространстве катод — сетка и, ускоряясь этим полем, движутся к сетке. (Напряжение $U_1$ называютускоряющим.) Пройдя сетку, электроды попадают в пространство сетка — аномод. Здесь электронное напряжение $U_1$ называютускоряющим. При управленииускоряющим полем, движутся эти电极 не изменяются (изменяется только направление скорости электрода, а абсцилтоное значение скорости остается неизменным, так как масса атома в тысячи раз больше массы электрода). Так что электроды,ускоряясь электрическим полем, движутся изгзагообразно к сетке. Около сетки энергия электрода достигает максимального значения, определяемого из условия

$$K = \frac{mv^2}{2} = eU_1$$

(m — масса электрода, e — заряд электрода).

По мере увеличенияускорящего напряжения $U_1$ энергия электрода растет. Ленард полагал, что, когда максимальная энергия электрода вылизи сетки равна или несколько превышает энергию иннзации атома газа, стокновение электрода с атомом становится неупругим. При этом электрон отделяет практические всю свою энергию атому, и эта энергия идет на внутренатомные процессы —атомонизуется. Возникают вторичные заряженные частицы — электроды и положительныеоны. Все элект-

11

троны (и вторичные, и первичные — те, что вылетели из катада) в конце концов уходят в сеточную цель. А положительныеоны, попав в пространство сетка — аод, под действием электрического поля движутся, ускорясь к аоду. Позному в аодной цепи появляется ток, обусловленный вторичными заряженными частицами.

Итак, появление тока в аодной цепи, как считал Ленард, должно указывать на начало иннзации. Энергия иннзации численно равна $eU_n$, где $U_n$ — значение $U_1$, при котором возникк аодный ток.

Хотя в эксперименте действительно наблюдаюсь возникновение аодного тока при определенных значениях ускоряющего потенциала, все же Ленард не удалось получить надежных экспериментальных результатов из-за технического несовершенства его установки. Важно отметить, что Ленард исходил из неверных представления о взаимодействии электронов с атомами, так как он не мог еще знать о существовании дискретных энергетических уровней у атома. По этой причине опыт Ленард не оставил заметного следа в физике, хотя он несомненно интересен в историческом отношении. Усовершенствованная методика Ленarda была использована впоследствии при постановке классических опытов Франка и Гермца.

Совместную работу Франк и Германии в 1911 году в Берлинском университете. В этот период они занимались изучением законов электрического тока в газах. Естественно, что для них представляла интерес внешняя энергия иннзации атомов. Для ее определения они сначала восполнялись методом Ленarda, а позднее внесли в него существование изменения.

Прежде всего, была изменена конструкция лампы. Расстояние катод — сетка было сделано значительно большим расстояниям сетка — аод (рис. 3).

Давление газа (или пара), направляющего трубку, было увеличено до 1 мм рт. ст. Позному электроны, вылетующие из катада, испытывали в пространстве катод — сетка многоократные столкновения с атомами газа (или пара). Тормозшее напряжение Франк и Гермцы уменьшили и сделали постоянным (оно выбиралось в пределах 0,5—2 В). Позному ток в аодной цепи появляется ток, как только ускорящее напряжение $U_1$ становится больше тормозшего $U_2$.

Приступая к опыту, Франк и Гермцы, как и Ленард, намеревались энерггию иннзации. Результаты одного из опытов с лампой, наполненной параметром ртути, приведены на рисунке 4. Красная кривая на этом графике показывает характер изменения тока в аодной цепи при изменении ускоряющего напряжения (значения тока указаны в условиях единицах). Прежде всего обращает на себя внимание тот факт, что через равные промежутки напряжения $U_1$ ток резко падает. Максимумы значения тока соответствуют напряжением 4,9 В, 2·4,9 В и 3·4,9 В.

12

Полученные результаты Франк и Герц интерпретировали следующим образом. По мере увеличенияускоряющего напряжения ток в аодной цепи возрастает (с того момента, когда $U_1$ становится больше $U_2$). Когда $U_1$ становится равным (или немного больше) 4,9 В и электрон «набирает» на своем пути к сетке энергии 4,9 ЭВ, столковение электрона с атомом у сетки столковится неупругим — атом nonизуется, а электрон, потеряющий энергию, улавливается сеткой. В результате ток в аодной цепи резко падает.

При дальнейшем увеличенииускорящего напряжения проинсходит следующие: электрон успевает набрать энергии 4,9 ЭВ, не доходя до сетки, так что область неупругого столковения его с атомом «свидгается» близке к катоду. При этом электрон, потеряший при столковении энергию, продолжает под действием электрического поля двигатся ускоренно к сетке. Если на этом пути электронускоряется электрическим полем до энергии, превышающей значение $eU_2$, то он предолевает тормозшее действие напряжения $U_2$ и попадает на аод. На графике этому процессу соответствует область аодного тока после первого спада. Когда значение $U_1$ становится таким, что электрон, потеряший энергию (4,9 ЭВ) в первом неупругом столковении, успевает на пути к сетке вsetsающей значение $eU_2$, столковение его с атомом вновь столковится неупругим, и он уже не попадает на аод, а улавливается сеткой. Это — спад кривой на рисунке 4 после второго максимума. Третий максимум указывает на то, что на пути катод — сетка электроны трижды претерпевают неупругие столковения с атомами.

Исходя из полученных данных, Франк и Герц заключили, что энергияонизации ртути равна 4,9 ЭВ — той энергии, которая набирает электрон между двумя последовательными неупругими столковениями с атомами. Аналогичную кривую они получили в опытах с лампой, наполненной гелем, и нашли, что энергияонизации ртути равна 19,8 ЭВ.

Будучи увеличенными в том, что они действительно изменили энергиюонизации, Франк и Герц решили, тем не менее, поставить еще один эксперимент. Наоткнуло их на это решение следующего обстоятельство. Было известно, что пары ртути сильно поглощают излучение с длиной волны $\lambda = 2536$ Å. Этому излучению согласно теории Планка соответствует энергия

$$E = hv = \frac{hc}{\lambda} (\text{Дж}) =$$

$$= 1,6 \cdot 10^{19} \frac{hc}{\lambda} (\text{ЭВ}) \approx 4,84 \text{ ЭВ}.$$

Эта величины очень хорошо совпадает с полученным Франком и Герц значением энергиионизации ртути — 4,9 ЭВ. Случайно ли это совпадение? Именно это и решение было проверить: посмотреть, не появляется ли при напряжении $U_1 = 4,9$ В излучение с длиной волны 2536 Å.

Эта длина волны лежит в ультрафилелотовой области. Поэтому Франк и Герц сделали трубку из кварца, произрачного для ультрафилелотового света (примявашаяся имми ранее трубка со стеклянным баллоном не годилась — стекло не пропускает ультрафилелотовый свет). Конструция этой трубки была намного проще предыдущей. В ней была только нить накада (катод) и сетка. Трубку они наполнили парами ртути. Ультрафилелотный спектральный аппарат, чувствительный в ультрафилелотовой области спектра), направленный на трубку, должен был регистрации излучение паров ртути, если это излучение будет возникать.

Результаты, полученные Франком и Герц, оказались следующими. Пока направление $U$ между каталогом и сеткой было меньше 4,9 В, ток в сеточной цепи нарастал с ростом $U$ и никакого излучения не было. Когда же это направление стало равным при близкительной $4,9$ В, ток в цепи резко упал и спектральное обнаружение с длиной волны … 2536 Å!

На основании всех имеющихся результаты Франк и Герц пришли к таким выводу: в большинстве