Опыты Франка и Герца - раздел Ядерная техника, В данной теме мы начнем изучение квантовых закономерностей явлений природы Идея Бора О Стационарных Состояниях Атомов Получила Экспериментальное Подтвер...
Идея Бора о стационарных состояниях атомов получила экспериментальное подтверждение в том же 1913г. в опытах Джеймса Франка и Густава Герца.
Опыты Франка и Герца начались до появления теории Бора и имели целью определение потенциалов ионизации. Но эти опыты принесли экспериментальное подтверждение постулатов Бора.
В этих опытах через исследуемый газ проходили электроны ускоренные электрическим полем. Схема установки Франка и Герца показана на рис. 1. Из стеклянной колбы, содержащей катод, сетку и анод, откачивался воздух, в колбу помещалось несколько капелек ртути. Затем колба помещалась в печь. При повышении температуры упругость паров возрастала. Эксперимент проводился при достаточно большом давлении насыщенного пара: порядка 25мм.рт.ст. Между катодом и сеткой прикладывалось ускоряющее напряжение, а между сеткой и анодом создавалось слабое тормозящее поле разностью потенциалов порядка 0,5 В. В эксперименте снималась зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения.
Если бы в колбе поддерживался вакуум, то зависимость тока от ускоряющего напряжения была бы такой же, как в вакуумном диоде (рис. 2). При малых напряжениях из-за пространственного заряда ток увеличивался бы по закону трех вторых. При больших напряжениях наблюдался бы ток насыщения, не зависящий от напряжения. При наличии паров ртути или других газов, кривая имела ряд резко выраженных максимумов и минимумов тока (рис. 3). Для ртути интервал между максимумами или минимумами составлял 4,9 В. Такие максимумы и минимумы свидетельствуют о дискретном характере энергетических уровней атома.
Действительно, столкновения электрона с атомом могут быть как упругими, так и неупругими. При упругих столкновениях внутреннее состояние атома не изменяется, а поэтому кинетическая энергия электрона не тратится на его возбуждение. Она может частично передаваться атому, но доля эта чрезвычайно мала, поскольку масса атома ртути почти в 400000 раз больше массы электрона. Электрон при столкновении с атомом отражается от него как от неподвижной стенки. Пока энергия электрона меньше разности энергий первого возбужденного и основного состояний атома ртути столкновения происходят упруго, и электрон способен преодолеть слабое тормозящее электрическое поле между сеткой и анодом. Поэтому электрический ток плавно увеличивается с ростом ускоряющего напряжения. Но как только энергия электрона станет равной разности этих состояний ситуация резко изменится. Столкновения станут неупругими, и после передачи энергии атому электрон остановится, и преодолеть тормозящее поле между сеткой и анодом не сможет. Чем больше электронов совершат неупругие столкновения, тем сильнее уменьшается анодный ток. Если бы все электроны имели одинаковую скорость при вылете из катода, и каждый электрон совершил неупругое столкновение, то анодный ток обратился бы в нуль при выполнении равенства
.
Реально же электроны при вылете из катода имеют различные значения кинетической энергии. Поэтому равенство энергии электрона энергии возбуждения атома для разных электронов наступает при разных напряжениях. Поэтому кривая сглаживается. Кроме того, часть электронов дойдет до анода не испытав неупругого столкновения. Это и объясняет, почему сила тока не уменьшается до нуля.
Если остаток энергии у электрона после столкновения достаточно большой, то он способен преодолеть тормозящее поле и попасть на анод. Поэтому с ростом ускоряющего напряжения сила тока снова возрастает.
При дальнейшем возрастании напряжения электрон может второй раз набрать энергию достаточную для возбуждения атома. При втором неупругом столкновении с атомом ртути он также потеряет свою энергию. Это приводит к появлению второго максимума и минимума на вольтамперной характеристике.
Наличие контактной разности потенциалов между катодом и сеткой несколько искажает показания вольтметра, смещая кривую вправо или влево. Однако, она не влияет на расстояние между максимумами (минимумами) на вольтамперной характеристике.
Для наблюдения Если упругость паров ртути не велика, то неупругого столкновения с возбуждением первого уровня может не произойти. Электрон будет ускоряться и увеличивать свою энергию, пока она не достигнет значения, достаточного для возбуждения второго энергетического уровня , третьего уровня и т.д.
Ускоряющие напряжения, соответствующие этим уровням, называются потенциалами возбуждения. На вольтамперной характеристике при этом появятся максимумы и минимумы, соответствующие этим потенциалам.
Однако в плотных газах этого не происходит. Дело в том, что для накопления нужной энергии электрон без неупругих столкновений должен пройти в ускоряющем поле расстояние, большое по сравнению с длиной свободного пробега между двумя последовательными неупругими столкновениями. Это условие в плотных газах не выполняется. Возбуждение более высоких энергетических уровней возможно при более низком давлении газа и более совершенной аппаратуре.
Чтобы повысить разрешающую способность установки и наблюдать максимумы, соответствующие более высоким энергетическим уровням, использовалась лампа с двумя сетками. Ускоряющее напряжение прикладывалось между катодом и первой сеткой, между сетками прикладывалось небольшое ускоряющее напряжение порядка , между второй сеткой и анодом прикладывалось тормозящее напряжение. Расстояние между катодом и первой сеткой было сделано минимальным, а между сетками достаточно большим. Этим достигалось то, что в первой области электроны ускорялись и не испытывали неупругих столкновений так как давление паров ртути снизили до . неупругие столкновения происходили в пространстве между сетками. Электрон, передавший свою энергию атому, не может набрать энергию достаточную для преодоления тормозящего поля, так как находится в слабом поле. Таким образом, удалось измерить второй потенциал возбуждения.
Опыты Франка и Герца подтверждают также и второй постулат Бора, т.е. правило частот. При ускоряющем напряжении меньше первого потенциала возбуждения 4,9 В пары ртути не светятся (нет возбужденных атомов). При повышении напряжения до 4,9 В появляются первые возбужденные атомы. При переходе этих атомов в основное состояние наблюдается свечение, состоящее из одной резонансной ультрафиолетовой линии с длиной волны . По длине волны резонансного излучения первый потенциал возбуждения можно определить значительно точнее из соотношения
Введение... В конце ХIX в даже у крупных ученых сложилось представление что в физике уже... Решение первой из указанных проблем привело к созданию Эйнштейном теории относительности а решение второй проблемы...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Опыты Франка и Герца
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Равновесное тепловое излучение
1. В проблеме теплового излучения большое значение имеет понятие равновесного излучения. Чтобы представить, что это такое, рассмотрим замкнутую полость с неподвижными и непрозрачным
Формула Релея-Джинса
Чтобы определить число нормальных мод с частотами в интервале от до
Понятие вероятности. Средние значения случайных величин
1. Большинство физических величин изменяется хаотически, т.е. являются случайными величинами. Различают дискретные и непрерывные случайные величины. Дискретная величина принимает ст
Понятие о квантах. Средняя энергия осциллятора. Фотоны
1. Формирование электромагнитного поля равновесного излучения является случайным процессом, так как случайны процессы испускания света телами. Поэтому энергия любого нормального кол
Модели атома Томсона и Резерфорда
1. Согласно классическим представлениям атом мог бы испускать монохроматическую волну в том случае, когда электрон в атоме совершает гармонические колебания и следовательно, удерживается около поло
Столкновение заряженных частиц
В опытах Резерфорда применялись очень тонкие металлические фольги с толщиной порядка . Это и позволяло не учит
Формула Резерфорда и ее экспериментальная проверка
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, являлась гипотезой и требовала экспериментальной проверки. Для этого Резерфорду пришлось детально проанализировать процесс рассеяния
Спектры излучения атомов.
1. С появлением первых спектральных приборов началось изучение спектров излучения и поглощения различных тел. К началу ХХ в. Было известно, что раскаленные тела излучают сплошной спектр, в котором
Постулаты Бора
Неустойчивость планетарной модели атома по Резерфорду и закономерности атомных спектров, в частности их дискре
Гипотеза де-Бройля. Волны де Бройля.
1. В 1923 году французский физик Луи де Бройль предположил, что корпускулярно-волновой двойственностью должны обладать не только фотоны, но и частицы вещества. Экспериментальное подтверждение этой
Особенности поведения микрочастиц
Многочисленные эксперименты показали, что электроны, атомы, молекулы и другие частицы обладают волновыми свойствами. При этом они сохраняют свои корпускулярные свойства. Объекты, обладающие корпуск
Соотношения неопределенностей
1. Отсутствие траектории у микрочастицы указывает на то, что описывать ее состояние столь же подробно как для материальной точки нельзя.
Действительно, задание координат и импульса материа
Дифракция микрочастиц на щели
Причиной существования квантовых неопределенностей и соотношений Гейзенберга являются волновые свойства микрочастиц.
Пусть движение электрона описывается плоской волной де Бройля. Электрон
Минимальная энергия и размеры атома
Принцип неопределенности является одним из основных законов квантовой физики. Из принципа неопределенности вытекает ряд важных следствий. В частности состояние покоя для микрочастицы, движущейся в
Временное уравнение Шредингера
1. Плоская волна де Бройля
соответствует равномерному свободному движению частицы в определ
Стационарные состояния. Свойства волновых функций
Особое значение в квантовой механике имеют стационарные состояния. Это такие состояния, в которых все наблюдаемые физические параметры не меняются с течением времени. Сама волновая функция принципи
Потенциальный барьер. Решение стационарного уравнения
1. Рассмотрим рассеяние микрочастиц на преграде, испускаемых источником, удаленным на большое расстояние от нее. Силовое воздействие на микрочастицу определяется потенциальной энергией взаимодейств
Коэффициенты отражения и пропускания ступенчатого барьера
На опыте измеряются не амплитудные коэффициенты прошедшей и от-раженной волн, а коэффициенты отражения и пропускания для частиц, которые связаны с амплитудными коэффициентами вероятностными соотнош
Туннельный эффект
1. Теперь рассмотрим барьер конечной ширины (рис. 2). В этом случае в первой области будут существовать падаю
Система двух взаимодействующих частиц
При классическом рассмотрении движение системы из двух частиц сводится к движению двух квазичастиц, одна из которых с массой
Модель гармонического осциллятора
Зависимость энергии взаимодействия двух атомов от расстояния между ними показана на рис. . При некотором расстоянии
Момент импульса
1. Согласно классическому определению моментом импульса частицы относительно начала координат О называ
Проекции момента импульса
Выбрав за ось некоторое произвольное направление в пространстве, определим собственные функции и собственные
Координатах
1. Если силы, действующие на частицу в разных точках пространства, направлены вдоль прямых, проходящих через одну и ту же точку, называемую центром, и зависят только от расстояния до него
Сложение угловых моментов
1. Понятие углового момента можно распространить и на системы частиц. Для этого рассмотрим простейшую изолированную систему из двух невзаимодействующих микрочастиц: 1 и 2.
Оператором углов
Атома водорода.
В 1921 году Штерном и Герлахом был поставлен прямой опыт по обнаружению квантования магнитного момента атомов. В вакуумной камере устанавливался электромагнит со специальной формой наконечников, чт
Принцип Паули
1. Сочетание волновых и корпускулярных свойств у микрочастиц приводит к отличиям в поведении не только одиночных микрочастиц, но и в поведении коллективов частиц. Эти отличия касаются только систем
Особенности периодической системы элементов
Располагая химические элементы в порядке возрастания атомного веса, Менделееву пришлось отступить от этого исходного принципа и переставить места некоторых элементов, придавая большее значение пери
Спин-орбитальное взаимодействие
Основное взаимодействие электрона с ядром атома есть электростатическое взаимодействие их зарядов. Но так как электрон движется вокруг ядра, то возникает дополнительное взаимодействие, обусловленно
Энергетические уровни и спектральные серии щелочных металлов
В атомах щелочных металлов электронная оболочка содержит один наружный (валентный) электрон, сравнительно слабо связанный с ядром атома. Переходы между энергетическими уровнями валентного электрона
Результирующий механический момент атома
В многоэлектронных атомах все орбитальные и спиновые моменты электронов складываются в единый угловой момент атома. Конечно результирующий момент от порядка слагаемых не зависит, но, тем не менее,
Магнитный момент атома
С механическим моментом связан магнитный момент. Для орбитального момента
,
Сложный эффект Зеемана
Рассмотрим сначала сложный эффект Зеемана, т.е расщепление спектральных линий в слабом магнитном поле.
При наложении слабого магнитного поля появляется дополнительная энергия взаимодействи
Простой эффект Зеемана
В сильных магнитных полях воздействие на атом становится сравнимым или больше спин-орбитального взаимодействия. В этом случае уже нельзя рассматривать поведение каждой компоненты мультиплета тонкой
Приближенная количественная теория атома гелия
Задача о движении двух электронов в поле ядра аналогична задаче о движении двух планет в гравитационном поле Солнца. В небесной механике разработаны достаточно точные приближенные методы расчета дв
В этих опытах через исследуемый газ проходили электроны ускоренные электрическим полем. Схема установки Франка и Герца показана на рис. 1. Из стеклянной колбы, содержащей катод, сетку и анод, откачивался воздух, в колбу помещалось несколько капелек ртути. Затем колба помещалась в печь. При повышении температуры упругость паров возрастала. Эксперимент проводился при достаточно большом давлении насыщенного пара: порядка 25мм.рт.ст. Между катодом и сеткой прикладывалось ускоряющее напряжение, а между сеткой и анодом создавалось слабое тормозящее поле разностью потенциалов порядка 0,5 В. В эксперименте снималась зависимость анодного тока от ускоряющего напряжения.
Если бы в колбе поддерживался вакуум, то зависимость тока от ускоряющего напряжения была бы такой же, как в вакуумном диоде (рис. 2). При малых напряжениях из-за пространственного заряда ток увеличивался бы по закону трех вторых. При больших напряжениях наблюдался бы ток насыщения, не зависящий от напряжения. При наличии паров ртути или других газов, кривая имела ряд резко выраженных максимумов и минимумов тока (рис. 3). Для ртути интервал между максимумами или минимумами составлял 4,9 В. Такие максимумы и минимумы свидетельствуют о дискретном характере энергетических уровней атома.
Действительно, столкновения электрона с атомом могут быть как упругими, так и неупругими. При упругих столкновениях внутреннее состояние атома не изменяется, а поэтому кинетическая энергия электрона не тратится на его возбуждение. Она может частично передаваться атому, но доля эта чрезвычайно мала, поскольку масса атома ртути почти в 400000 раз больше массы электрона. Электрон при столкновении с атомом отражается от него как от неподвижной стенки. Пока энергия электрона 
меньше разности энергий первого возбужденного 
и основного 
состояний атома ртути столкновения происходят упруго, и электрон способен преодолеть слабое тормозящее электрическое поле между сеткой и анодом. Поэтому электрический ток плавно увеличивается с ростом ускоряющего напряжения. Но как только энергия электрона станет равной разности этих состояний ситуация резко изменится. Столкновения станут неупругими, и после передачи энергии атому электрон остановится, и преодолеть тормозящее поле между сеткой и анодом не сможет. Чем больше электронов совершат неупругие столкновения, тем сильнее уменьшается анодный ток. Если бы все электроны имели одинаковую скорость при вылете из катода, и каждый электрон совершил неупругое столкновение, то анодный ток обратился бы в нуль при выполнении равенства
.
, третьего уровня 
и т.д.
, между второй сеткой и анодом прикладывалось тормозящее напряжение. Расстояние между катодом и первой сеткой было сделано минимальным, а между сетками достаточно большим. Этим достигалось то, что в первой области электроны ускорялись и не испытывали неупругих столкновений так как давление паров ртути снизили до 
. неупругие столкновения происходили в пространстве между сетками. Электрон, передавший свою энергию атому, не может набрать энергию достаточную для преодоления тормозящего поля, так как находится в слабом поле. Таким образом, удалось измерить второй потенциал возбуждения.
. По длине волны резонансного излучения первый потенциал возбуждения можно определить значительно точнее из соотношения
.
Новости и инфо для студентов