Опыт франка и герца кратко

Обновлено: 07.07.2024

Одним из простых опытов, подтверждающих существование дискретных уровней энергии атомов, является эксперимент, известный под названием опыта Франка и Герца (1914г.). В опытах Франка и Герца было экспериментально доказано существование в атомах стационарных состоянии.

Схема опыта изображена на рис. 1а. В трубке заполненной парами ртути под небольшим давлением (~ 1мм.рт.ст.) имелись три электрода: катод К, сетка С и коллектор А. Электроны, эмитированные катодом, вследствие термоэлектронной эмиссии разгоняются в области между катодом и сеткой разностью потенциалов и бомбардируют атомы ртути. Эту разность потенциалов можно изменять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле ~ 0.5 В, тормозившее движение электронов к аноду.

Исследовалась зависимость силы тока цепи катода от напряжения между катодом и сеткой. Из рис. 1б видно, что сила тока вначале монотонно возрастает, достигает максимума при 4,86 эВ, после чего ток в установке резко уменьшается. При дальнейшим увеличением ток снова начинает расти до максимума. Эти максимумы регулярно наблюдаются с периодом 4,86 эВ. Такое поведение тока связано с тем, что первое возбужденное состояние атома ртути имеет энергию = 4,86 эВ.

Если бы в трубке был вакуум, то график зависимости от имел вид гладкой кривой. Действительно, при увеличении увеличивается работа ускоряющего электрического поля над электронами . Электроны приобретают на промежутке катод-сетка всё большую кинетическую энергию и, попадая после этого в область тормозящего поля, все достигают коллектора. Поэтому сила в цепи растет с увеличением .

При наличии же в трубке паров ртути (или другого газа) характер зависимости резко меняется (рис. 2). Плавное возрастание силы тока с увеличением сменяется при определенных значениях резкими падениями, после которых опять наблюдается плавный рост.

Такой ход зависимости от объясняется тем, что атомы ртути могут получать энергию при столкновении с электронами только определёнными порциями (квантами). Причем наименьшая порция энергии, которую может поглотить атом, находящийся в самом низком (основном) энергетическом состоянии , равна разности между энергией первого возбужденного состояния атома и энергией основного состояния:

Пока разность потенциалов мала, кинетическая энергия электрона при его ускорении в промежутке катод-сетка остаётся меньше чем . Атом не может принять энергию от электрона при столкновении и перейти в возбуждённое состояние. Взаимодействие электрона с атомом носит характер упругого удара. Причем из-за огромной разницы в массах электрона и атома, электрон после удара не теряет своей скорости. По мере увеличения кинетическая энергия электрона растёт и при определённом значении становится равной (строго говоря, чуть большей). При такой разности потенциалов характер взаимодействия атома с электроном резко меняется. Атом газа поглощает энергию электрона и переходит в возбуждённое энергетическое состояние. А электрон, потеряв при ударе, который теперь имеет характер неупругого, почти всю свою кинетическую энергию, практически останавливается (приобретает скорость равную скорости атома после удара). Это происходит около сетки, т.к. именно здесь кинетическая энергия электрона достигает наибольшего значения. Практически остановившийся электрон уже не имеет достаточной энергии, чтобы, попав в тормозящее поле, долететь до коллектора. Следовательно, сила тока при разности потенциалов падает. Разность потенциалов , которая необходима для того, чтобы кинетическая энергия электрона достигла величины , называется потенциалом возбуждения.

При дальнейшем увеличении сила тока коллектора опять возрастает: электроны, испытавшие неупругие соударения, успевают набрать энергию, достаточную для преодоления задерживающего поля. При этом область неупругого удара всё дальше отодвигается от сетки, приближаясь к катоду.

Следующее падение силы тока коллектора происходит, когда часть электронов неупруго сталкиваются с атомами газа два раза на пути к сетке: первый раз посередине промежутка катод – сетка, второй – около сетки, и т.д. Таким образом, на графике зависимости от имеется несколько максимумов и минимумов, отстоящих друг от друга на равные расстояния .

В возбуждённом состоянии атомы обычно находятся очень короткое время ~10 -8 с. После этого атом возвращается в основное энергетическое состояние, испуская излишек энергии часто в виде электромагнитного излучения (кванта света, фотона). Причём

где - энергия фотона при циклической частоте световой волны ;

Дж×с - постоянная Планка с чертой;

= 3×10 8 м/с – скорость света в вакууме;

- длина волны света, испущенного атомом;

= 1,602×10 -19 Кл – элементарный заряд (заряд электрона).

Если предположения Бора верны, то атомы ртути, бомбардируемые электронами с энергией 4,86 эВ, должны являться источником ультрафиолетового излучения с нм. Именно такое излучение и было обнаружено в эксперименте. Это говорит о том, что в атоме действительно существуют стационарные состояния (подтверждение первого постулата Бора). Возбуждённые атомы ртути, переходя в основное состояние, излучаюткванты света с длиной волны =255нм (подтверждение второго постулата Бора).

Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, но второй постулат Бора.

Значения потенциалов возбуждения для различных газов приведены в таблице 1:

Газ	H₂	He	Ne	Ar	Kr	Xe	Hg	Cs
U_ВОЗБ, В	11,2	20,9	16,6	11,6	10,0	8,5	4,9	1,4

где - энергия фотона при циклической частоте световой волны ;

Дж×с - постоянная Планка с чертой;

= 3×10 8 м/с – скорость света в вакууме;

- длина волны света, испущенного атомом;

= 1,602×10 -19 Кл – элементарный заряд (заряд электрона).

Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, но второй постулат Бора.

Значения потенциалов возбуждения для различных газов приведены в таблице 1:

У нас есть все основания восхищаться открытиями современной науки, но ни в коем случае не стоит забывать о работах ученых начала XX века, проложивших дорогу к открытиям нашего времени. Concepture описывает один из важнейших опытов прошлого столетия – эксперимент Франка-Герца.

От Планка и Бора к Франку и Герцу

Однако стоит не забывать, что почву, по которой сегодня победно шествует физика, заложили работы ученых начала ХХ века. Им удавалось делать невероятные открытия, не располагая, по нашим меркам, практически ничем, кроме огромного энтузиазма и силы разума.

В самом деле, представьте: не было компьютеров, даже самых примитивных. Конечно, инструменты уже были продвинутыми, по сравнению с инструментами, имевшимися в арсенале ученых прошлых веков.

И все же, по сравнению с современным оборудованием, инструменты начала прошлого века выглядели жалко.

Сейчас трудно осознать, насколько революционным было такое предположение, но, представьте: плавное течение реки классической физики оказалось вовсе на плавным. Гордая классическая физика пала до уровня более всеобъемлющей науки, которая сохранила старое название, но обогатилась новым содержанием.

Модель Томпсона не выдержала испытания экспериментом, проведенным в лаборатории Резерфорда Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом в 1913 году. Однако, и подтверждением правильности модели Резерфорда этот опыт стать не смог, так как данная модель тоже была довольно странной.

Если следовать идее Резерфорда до логического конца, то окажется, что электрон, непрерывно излучая энергию, рано или поздно, упал бы на положительно заряженное ядро и атом перестал бы существовать, а вместе с ним и все, что состоит из атомов. В лучшем случае подобную модель можно назвать экстравагантной, ведь, как известно мы состоим из атомов и не особо спешим испаряться при любом удобном случае.

И все-таки, почему модель Резерфорда не работала? Ответ дал Нильс Бор со своей новой, полуклассической моделью атома. Она объясняла наблюдаемые явления и заставляла смириться с дискретностью энергетических уровней атома. К тому же эта модель открыла дорогу квантовой физике.

Модель Бора базировалась на ряде постулатов. Самый важный из них гласит: атом обладает дискретным энергетическим спектром и у него имеются стационарные состояния, и в этих состояниях атом не излучает энергию.

Излучать атом может только при переходе из одного стационарного состояния в другое. При этом энергия излучаемого кванта равна разнице энергий соответствующих стационарных уровней, между которыми произошел переход.

Ну а то, что излучение и поглощение энергии происходит только определенными порциями, как раз и доказали Франк и Герц.

Мистические 4,9 эВ

Густав Герц – племянник того самого Генриха Рудольфа Герца, в честь которого была названа единица измерения частоты.

В рамках изначального опыта три электрода (катод, сетка и анод) были смонтированы внутри вакуумной лампы из простого стекла, наполненной парами ртути. Естественно, лампу приходилось нагревать, чтобы обеспечить испарение ртути: по словам ученых, температура в лампе составляла 115 о С, давление 100 паскаль, что гораздо ниже атмосферного давления.

Батарея Б1 создает ускоряющее электрическое поле между катодом и сеткой, которое экспериментаторы могли регулировать в довольно широком диапазоне; вторая батарея, Б2, напротив, создает задерживающее напряжение между сеткой и анодом, которое отталкивает электроны с малой энергией и не дает им попасть на анод.

Задерживающее напряжение тоже может регулироваться, но в этом нет необходимости, достаточно его постоянного значения, которое в случае опыта Франка-Герца составляло 0,5 вольт, но может быть доведено до 3 вольт.

Пройдя же через решетку электроны попадают под действие замедляющего напряжения. Анод имеет электрический потенциал, который слегка отрицателен, по отношению к решетке. Но напряжение настолько мало, что электроны без проблем достигают анода и в течение некоторого времени ток постоянно растет.

Потом происходит нечто менее понятное – при значении напряжения 4,9 В, ток внезапно падает. На рисунке ниже показана кривая, которая при этом вырисовывается на экране осциллографа. Видно, что пики расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и это расстояние тоже равно 4,9 В, в случае ртути.

Чуть дальше видно еще один пик и провал, хотя уже менее глубокий.

Что же произошло? А произошло следующее: за подъем кривой вплоть до первого пика несут ответственность электроны, энергия которых менее 4,9 электрон-вольт (эВ). Пока энергия электронов не превышает этого предела ток растет по мере повышения напряжения вполне предсказуемо и так бы и продолжалось дальше, если ли бы в игру не вступил еще один игрок: атомы ртути.

Изначально в лампу помещалась просто капля ртути, которая, под воздействием высокой температуры, переходила в газообразное состояние и становилась преградой на пути электронов от катода к сетке. Преграда эта была достаточно разреженной, но для проведения эксперимента этого было достаточно.

Электроны, энергия которых была меньше мистических 4,9 эВ, сталкивались с атомами ртути, но, поскольку атом ртути, примерно, в 400 000 раз тяжелее электрона, столкновения было упругим, то есть кинетическая энергия электрона почти не изменялась, изменялось только направление его движения, а так как с катода электроны слетают тоже в самых разных направлениях, значительного эффекта на силу тока на аноде это не оказывало.

Джеймс Франк за работой

Частицы могли отдавать 4,9 эВ атомам ртути, но при этом у них оставалось достаточно энергии, чтобы добраться до анода, как следствие – еще одно восхождение кривой. При достижении значения 9,8 эВ, электрон уже мог отдавать свою энергию не одному, а сразу двум атомам ртути, если бы они оказались на его пути, поэтому мы можем видеть еще один спад.

Однако провал в этом случае не особо глубокий – вероятность того, что один электрон столкнётся с одним атом ртути значительно выше вероятности того, что один и тот же электрон столкнется еще и со вторым, поэтому некоторые электроны могут донести до анода заряд больше 4,9 эВ.

Выше упоминалось ультрафиолетовое излучение, но Франк и Герц догадались, что атомы ртути его излучают не сразу: для этого пришлось провести еще один опыт позже, в 1914 году, и на этот раз лампа была сделана не из простого стекла, которое совсем не пропускает ультрафиолет, а из кварцевого стекла, которое очень даже хорошо его пропускает.

Разумеется, предположение о возможности излучения атомами ртути фотона (он же – электромагнитная волна) было сделано еще до проведения второго эксперимента, но это была только одна из двух гипотез ученых относительно того, что происходит с атомом ртути при соударении с достаточно мощным электроном.

Статью о своем первом эксперименте, вызвавшую немалый резонанс, Франк и Герц напечатали в апреле 1914 года, но вторая статья, по результатам второго опыта, тоже упомянутого выше, оказалась еще более сенсационной, так как содержала доказательства того, что длина волны излучаемого атомом ртути ультрафиолетового света точно соответствует 4,9 эВ энергии, которые теряет летящий электрон при соударении с ним.

На фото: Джеймс Франк и Роберт Поль, 1923 г.

От гипотезы к гипотезе

Результаты Франка и Герца были убедительными и трудно вообразить будто кто-то другой смог бы раскритиковать их эксперимент и поставить под вопрос его результаты. По крайней мере, история упоминаний о таких поползновениях не сохранила. Но каждый эксперимент, каким бы совершенным для своего времени он ни был, можно позже поставить с большим уровнем точности, с использованием более сложной аппаратуры и так далее. Поэтому в этом отношении критика смысла просто не имеет.

На фото: Нильс Бор

И все же одно ошибочное предположение имеется. Изначально ученые думали, что атом ртути при соударении с электроном не переходит в возбужденное состояние, а ионизируется, то есть, что летящий электрон достаточной мощности просто отрывает внешний электрон атома ртути, тратит на это энергию и дальше летят уже два медленных электрона.

К тому же Франк и Герц довольно быстро поняли, что во время своего первого эксперимента не учли некоторые факторы. Как вы помните, в лампе было смонтировано три электрода (катод, решетка и анод), однако такая конструкция не учитывала искажающее действие объемного заряда, поэтому в более поздних экспериментах использовалось уже четыре электрода (катод, две сетки и анод), как показано на схеме ниже.

В статье Джеральд Рапио, Клаус Зенгшток и Валерий Баев из Института лазерной физики Университета города Гамбург, рассматривают некоторые аспекты знаменитого опыта. В частности, они утверждают следующее: расстояния между максимумами и минимумами кривой, которые принято считать одинаковыми и характеризующими энергию перехода атома в низшее возбужденное состояние, на самом деле не равны, а растут по мере увеличения числа минимумов. Они предположили, что такой рост вызван дополнительным ускорением электронов на средней длине свободного пробега (то есть пробега без соударений) после достижения энергии возбуждения атома.

Так что, можно сказать, что после проведения эксперимента Франка и Герца ученые даже сейчас не перестают находить его новые черты, важные для дальнейшего развития науки. Критикой, однако, это назвать сложно, скорее – совершенствованием.

На пути к физике

Выводы данного эксперимента были самыми драматичными. На глазах людей того времени рушилась целая Вселенная. Квантовая физика, как Нидхёгг под корнями Иггдрасиля, начала раскачивать устои и показала, что в самой глубине красивых и стройных теорий ньютоновской физики, на квантовых ее уровнях, классические постулаты бессильны.

На фото: Альберт Эйнштейн, Джеймс Франк, Густав Герц, Фриц Габер, Петер Прингсхайм.

Опыт Франка и Герца был первым шагом на пути к современному пониманию физики. Джеймс Франк и Густав Герц дали в руки ученым неопровержимые доказательства дискретности энергии атома, что помогло объяснить некоторые явления (такие как линейчатость спектра), которые физика, руководствующаяся, на тот момент, только классическими постулатами, не могла объяснить.

Казалось бы, был найден ответ на важный вопрос: можно радоваться и почивать на лаврах? Ну уж нет. Как это часто бывает, новый ответ породил еще большее количество вопросов – один головоломнее другого. А решать их предстояло еще многим поколениям ученых.

Возможно вы не знали:

Анод – электрод некоторого прибора, присоединённый к положительному полюсу источника питания. Электрический потенциал анода положителен по отношению к потенциалу катода (кроме гальванических элементов).

Катод – электрод некоторого прибора, присоединённый к отрицательному полюсу источника тока.

Линейчатость спектра – это экспериментальное свидетельство дискретности физических величин, характеризующих свойства атома.

Модель атома Резерфорда – согласно этой модели атом состоит из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны. Подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

Осциллограф – аппарат, отображающий кривую соотношения силы тока и напряжения, то есть вольтамперную характеристику процесса.

1. Из бесконечного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн (света).

2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона:

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытами, осуществленными в 1914 г. Франком и Герцем. Схема их установки приведена на рисунке. В трубке, заполненной парами ртути под небольшим давлением (~1 мм рт. ст.), имелись три электрода: катод К, сетка С и анод А. Электроны, вылетавшие из катода вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов V, приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было плавно менять с помощью потенциометра П. Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле (разность потенциалов порядка 0,5 В), тормозившее движение электронов к аноду. На рис. б показано изменение потенциальной энергии электрона Ер — — еφ в зазоре между электродами при различных значениях напряжения U между катодом и сеткой (φ - потенциал в соответствующей точке поля).

Исследовалась зависимость силы тока I в цепи анода от напряжения U между катодом и сеткой. Сила тока измерялась гальванометром G. напряжение — вольтметром V. Полученные результаты представлены на рисунке.

. Соответственно частота фотона, излучаемого при переходе из состояния n в состояние m, определяется формулой

Согласно второму постулату Борна (напомним, что энергии связанных состояний электрона отрицательны, так что выражения в круглых скобках больше нуля).

Таким образом, терм тесно связан с энергией стационарного состояния атома, отличаясь от нее лишь множителем

Опыт Франка — Герца — опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем.

На рисунке приведена схема опыта. К катоду К и сетке C1 электровакуумной трубки, наполненной парами Hg (ртути), прикладывается разность потенциалов V, ускоряющая электроны, и снимается зависимость силы тока I от V. К сетке C2 и аноду А прикладывается замедляющая разность потенциалов. Ускоренные в области I электроны испытывают соударения с атомами Hg в области II. Если энергия электронов после соударения достаточна для преодоления замедляющего потенциала в области III, то они попадут на анод. Следовательно, показания гальванометра Г зависят от потери электронами энергии при ударе.

В опыте наблюдался монотонный рост I при увеличении ускоряющего потенциала вплоть до 4,9 в, то есть электроны с энергией Е 4,9 В, оказалось в соответствии со вторым постулатом Бора

$E_1 - E_0 = \frac <h c></p> <p> <\lambda>$

,где E₀ и E₁ — энергии основного и возбужденного уровней энергии. В опыте Франка — Герца, E₀ — E₁ = 4,9 эв.

Артур Комптон, повторив (1922—1923) опыт Франка — Герца, обнаружил, что при V > 4,9 в пары Hg начинают испускать свет с частотой n = DE/h, где DE = 4,9 эв (h — постоянная Планка). Таким образом, возбуждённые электронным ударом атомы Hg испускают фотон с энергией 4,9 эв и возвращаются в основное состояние.

В 1925 г. Густав Герц и Джеймс Франк были награждены нобелевской премией за открытие законов соударения электрона с атомом.

См. также

Франк Герц — режиссёр, кинодокументалист.

Ссылки

Современный список литературы по эксперименту Франка-Герца.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Опыт Франка — Герца" в других словарях:

опыт Франка и Герца — Franko ir Herco eksperimentas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektronų susidūrimo su dujų ar metalo garų atomais ir molekulėmis tyrimas. atitikmenys: angl. Franck Hertz’s experiment vok. Franck Hertzscher… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

опыт Франка и Герца — Franko ir Herco eksperimentas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Franck Hertz’s experiment vok. Franck Hertzscher Versuch, m rus. опыт Франка и Герца, m pranc. expérience de Franck et Hertz, f … Fizikos terminų žodynas

Опыт Франка - Герца — Зависимость тока от напряжения. Видны острые периодические пики, соответствующие ионизации атомов. Опыт Франка Герца опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем … Википедия

Опыт Франка — Схема электровакуумной трубки, использованной в эксперименте … Википедия

ФРАНКА - ГЕРЦА ОПЫТ — опыт, показавший, что внутр. энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает определённые дискретные значения (квантуется). Впервые поставлен в 1913 нем. физиками Дж. Франком (J. Franck) и Г. Герцем (G. Hertz). Сыграл важную роль в… … Физическая энциклопедия

Франка - Герца опыт — опыт, явившийся экспериментальным доказательством дискретности внутренней энергии Атома. Поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем. На рис. 1 приведена схема опыта. К катоду К и сетке C1 электровакуумной трубки, наполненной парами Hg,… … Большая советская энциклопедия

ФРАНКА — ГЕРЦА ОПЫТ — показал, что внутр. энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает определённые дискр. значения (квантуется). Впервые поставлен в 1913 нем. физиками Дж. Франком (). Franck) и Г. Герцем (G. Hertz). Сыграл важную роль в эксперим.… … Физическая энциклопедия

ФРАНКА — ГЕРЦА ОПЫТ — ФРАНКА ГЕРЦА ОПЫТ, опыт, доказывающий, что внутренняя энергия атома может принимать лишь дискретные значения. Впервые поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем … Энциклопедический словарь

ФРАНКА — ГЕРЦА опыт опыт, доказывающий, что внутренняя энергия атома может принимать лишь дискретные значения. Впервые поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем … Большой Энциклопедический словарь

ФРАНКА - ГЕРЦА ОПЫТ — опыт, доказывающий, что внутр. энергия атома может принимать лишь дискретные значения. Впервые поставлен в 1913 Дж. Франком и Г. Герцем … Естествознание. Энциклопедический словарь

Читайте также: