Эксперимент Франка – Герца

редактировать
Эксперимент, подтверждающий квантование уровней энергии Фотография запечатанного стеклянного цилиндра. Провода проходят через цилиндр сверху, снизу и сбоку. К катодному узлу ведут три провода; верхний и боковой провода ведут к диску и сетке, которые расположены близко и параллельно друг другу. Провода прикреплены к вводам на алюминиевой панели на заднем плане. Фотография вакуумной лампы, использованной для эксперимента Франка – Герца в учебных лабораториях. Внутри трубки есть капля ртути, хотя на фотографии ее не видно. В - катодная сборка; сам катод горячий и светится оранжевым. Он испускает электроны, которые проходят через металлическую сетку (G) и собираются в виде электрического тока анодом (A).

Эксперимент Франка – Герца был первым электрическим измерением, которое четко продемонстрировало квантовая природа атомов и, таким образом, «изменила наше понимание мира». Он был представлен 24 апреля 1914 года Немецкому физическому обществу в докладе Джеймса Франка и Густава Герца. Франк и Герц разработали вакуумную трубку для изучения энергичных электронов, которые пролетали через тонкий пар атомов ртути. Они обнаружили, что, когда электрон сталкивается с атомом ртути, он может потерять только определенное количество (4,9 электрон-вольт ) своей кинетической энергии перед тем, как улететь. Эта потеря энергии соответствует замедлению электрона со скорости около 1,3 миллиона метров в секунду до нуля. Более быстрый электрон не замедляется полностью после столкновения, но теряет точно такое же количество своей кинетической энергии. Более медленные электроны просто отскакивают от атомов ртути, не теряя значительной скорости или кинетической энергии.

Эти экспериментальные результаты подтвердились моделью Бора для атомов, предложенной в прошлом году Нильсом Бором. Модель Бора была предшественником квантовой механики и модели электронных оболочек атомов. Его ключевой особенностью было то, что электрон внутри атома занимает один из «квантовых энергетических уровней» атома. Перед столкновением электрон внутри атома ртути занимает свой самый низкий доступный энергетический уровень. После столкновения электрон внутри занимает более высокий энергетический уровень, на 4,9 электронвольта (эВ) больше энергии. Это означает, что электрон более слабо связан с атомом ртути. В квантовой модели Бора не было промежуточных уровней или возможностей. Эта особенность была «революционной», поскольку не соответствовала ожиданиям, что электрон может быть связан с ядром атома любым количеством энергии.

Во второй статье, представленной в мае 1914 г., Франк и Герц сообщили об излучении света атомами ртути, которые поглотили энергию столкновений. Они показали, что длина волны этого ультрафиолетового света точно соответствует энергии 4,9 эВ, которую потерял летающий электрон. Связь энергии и длины волны также была предсказана Бором. После презентации этих результатов Франком несколько лет спустя, Альберт Эйнштейн, как говорят, заметил: «Это так мило, что заставляет плакать».

10 декабря 1926 года Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике 1925 г. «за открытие законов, управляющих воздействием электрона на атом».

Содержание

  • 1 Эксперимент
  • 2 Моделирование электрона столкновения с атомами
  • 3 Ранняя квантовая теория
  • 4 Эксперимент с неоном
  • 5 Ссылки
  • 6 Дополнительная литература

Эксперимент

График. Вертикальная ось обозначена Анодный ток (произвольные единицы) в зависимости от напряжения сетки (относительно катода). Этот график основан на оригинальной статье Франка и Герца 1914 г.

В первоначальном эксперименте Франка и Герца использовалась нагретая вакуумная трубка, содержащая каплю ртути ; они сообщили о температуре трубки 115 ° C, при которой давление паров ртути составляет около 100 паскалей (и намного ниже атмосферного давления). На фотографии показана современная трубка Франка – Герца. Он снабжен тремя электродами: излучающим электроны горячим катодом ; металлическая сетка сетка ; и анод. Напряжение сетки положительно относительно катода, поэтому электроны, испускаемые горячим катодом, притягиваются к нему. Электрический ток, измеренный в эксперименте, связан с электронами, которые проходят через сетку и достигают анода. Электрический потенциал анода немного отрицателен по отношению к решетке, поэтому электроны, которые достигают анода, после прохождения через решетку имеют, по крайней мере, соответствующее количество кинетической энергии.

Длины волн света, излучаемого парами ртути разряд и с помощью трубки Франка – Герца при напряжении 10 В. Трубка Франка – Герца в основном излучает свет с длиной волны около 254 нанометров; разряд излучает свет на многих длинах волн. Основано на оригинальном рисунке 1914 года.

Графики, опубликованные Franck и Hertz (см. Рисунок), показывают зависимость электрического тока, выходящего из анода, от электрического потенциала между сеткой и катодом.

  • При низкой разности потенциалов - до 4,9 вольт - ток через трубку постоянно увеличивается с увеличением разности потенциалов. Такое поведение типично для настоящих электронных ламп, не содержащих паров ртути; более высокие напряжения приводят к большему "ограниченному току пространственного заряда ".
  • При 4,9 вольт ток резко падает, почти до нуля.
  • Затем ток снова постепенно увеличивается по мере дальнейшего увеличения напряжения, пока не будет достигнуто 9,8 В (точно 4,9 + 4,9 В).
  • При 9,8 В наблюдается аналогичное резкое падение.
  • Хотя это не очевидно в исходных измерениях рисунка, это серия провалов тока с шагом примерно 4,9 вольта продолжается до потенциалов не менее 70 В.

Франк и Герц отметили в своей первой статье, что характеристическая энергия 4,9 эВ их эксперимента хорошо соответствует одной из длин волн света, излучаемого атомы ртути в газовых разрядах. Они использовали квантовую связь между энергией возбуждения и соответствующей длиной волны света, которую они в целом приписали Иоганнесу Старку и to Арнольд Зоммерфельд ; он предсказывает, что 4,9 эВ соответствует свету с шириной волны 254 нм. средняя длина. Это же соотношение было также включено в фотонную теорию фотоэлектрического эффекта Эйнштейна 1905 года. Во второй статье Франк и Герц сообщили об оптическом излучении своих трубок, которые излучали свет с одной выдающейся длиной волны 254 нм. На рисунке справа показан спектр лампы Франка – Герца; почти весь излучаемый свет имеет одну длину волны. Для справки, на рисунке также показан спектр света газового разряда ртути, который излучает свет на нескольких длинах волн помимо 254 нм. Рисунок основан на оригинальных спектрах, опубликованных Франком и Герцем в 1914 году. Тот факт, что лампа Франка – Герца излучает только одну длину волны, почти точно соответствующую измеренному периоду напряжения, был очень важен.

Моделирование столкновений электронов с атомами

Drawing showing three circles, each with a label "Hg" inside. The top circle is labeled "elastic collision". It is next to two arrows of equal length, one pointing towards the circle, and one pointing away. The middle circle is labeled "inelastic collision", and has a longer arrow pointing towards it, and a shorter arrow leading away. The lowest circle is labeled "light emission", and is next to a squiggly arrow that points away. Упругие и неупругие столкновения электронов с атомами ртути. Электроны медленно меняют направление после упругих столкновений, но не меняют своей скорости. Более быстрые электроны теряют большую часть своей скорости в неупругих столкновениях. Потерянная кинетическая энергия передается в атом ртути. Затем атом излучает свет и возвращается в исходное состояние.

Франк и Герц объяснили свой эксперимент в терминах упругих и неупругих столкновений между электронами и атомами ртути. Медленно движущиеся электроны упруго сталкиваются с атомами ртути. Это означает, что направление, в котором движется электрон, изменяется в результате столкновения, но его скорость остается неизменной. Упругое столкновение проиллюстрировано на рисунке, где длина стрелки указывает скорость электрона. На атом ртути столкновение не влияет, главным образом потому, что он примерно в четыреста тысяч раз массивнее, чем электрон.

Когда скорость электрона превышает примерно 1,3 миллиона метров в секунду, столкновения с атомом ртути становятся неэластичный. Эта скорость соответствует кинетической энергии 4,9 эВ, которая выделяется в атоме ртути. Как показано на рисунке, скорость электрона уменьшается, и атом ртути становится «возбужденным». Спустя некоторое время энергия 4,9 эВ, вложенная в атом ртути, выделяется в виде ультрафиолетового света с длиной волны ровно 254 нм. После испускания света атом ртути возвращается в исходное невозбужденное состояние.

Если электроны, испускаемые катодом, летели бы свободно, пока не достигли сетки, они бы приобрели кинетическую энергию, пропорциональную напряжению, приложенному к сетка. 1 эВ кинетической энергии соответствует разности потенциалов в 1 вольт между сеткой и катодом. Упругие столкновения с атомами ртути увеличивают время, необходимое электрону, чтобы добраться до сетки, но средняя кинетическая энергия прибывающих электронов не сильно влияет.

Когда напряжение на сетке достигает 4,9 В, электрон столкновения около сетки становятся неупругими, и электроны сильно замедляются. Кинетическая энергия обычного электрона, попадающего в сетку, уменьшается настолько, что он не может двигаться дальше, чтобы достичь анода, напряжение которого настроено так, чтобы слегка отталкивать электроны. Ток электронов, достигающих анода, падает, как видно на графике. Дальнейшее повышение напряжения в сети восстанавливает достаточно энергии электронам, которые претерпели неупругие столкновения, чтобы они снова могли достичь анода. Ток снова возрастает, когда потенциал сети превышает 4,9 В. При 9,8 В ситуация снова меняется. Электроны, которые прошли примерно половину пути от катода до сетки, уже приобрели достаточно энергии, чтобы претерпеть первое неупругое столкновение. По мере того, как они медленно продвигаются к решетке от средней точки, их кинетическая энергия снова нарастает, но когда они достигают решетки, они могут испытать второе неупругое столкновение. И снова ток на аноде падает. С интервалом 4,9 вольт этот процесс будет повторяться; каждый раз электроны будут подвергаться одному дополнительному неупругому столкновению.

Ранняя квантовая теория

The drawing has a wide rectangle at the top labeled "vacuum levels". Underneath the rectangle and to the left is a vertical arrow that ends at the rectangle; the arrow is labeled "electron binding energy". In the middle is a long series of finely separated lines that are parallel to the bottom of the rectangle; these are labeled "classical energy levels". To the right is a series of four well-separated parallel lines; these are labeled "quantum energy levels". Модель атома Бора предполагала, что электрон может быть связан с атомным ядром только с одной из ряда определенных энергий, соответствующих к квантовым уровням энергии. Ранее классические модели связывания частиц допускали любую энергию связи.

Хотя Франк и Герц не знали об этом, когда публиковали свои эксперименты в 1914 году, в 1913 году Нильс Бор опубликовал модель атомов, которая очень успешно объясняла оптические свойства атомарного водорода. Обычно они наблюдались в газовых разрядах, которые излучали свет с серией длин волн. Обычные источники света, такие как лампы накаливания, излучают свет на всех длинах волн. Бор очень точно рассчитал длины волн, испускаемых водородом.

Фундаментальное предположение модели Бора касается возможных энергий связи электрона с ядром атома. Атом может быть ионизирован, если столкновение с другой частицей дает хотя бы эту энергию связи. Это освобождает электрон из атома и оставляет положительно заряженный ион. Есть аналогия со спутниками, вращающимися вокруг Земли. Каждый спутник имеет свою орбиту, и возможно практически любое орбитальное расстояние и любая энергия связи спутника. Поскольку электрон притягивается к положительному заряду атомного ядра аналогичной силой, так называемые «классические» расчеты предполагают, что любая энергия связи также должна быть возможна для электронов. Однако Бор предположил, что имеет место только определенный ряд энергий связи, которые соответствуют «квантовым энергетическим уровням» электрона. Электрон обычно находится на самом низком энергетическом уровне с наибольшей энергией связи. Дополнительные уровни лежат выше, с меньшей энергией связи. Промежуточные энергии связи, лежащие между этими уровнями, недопустимы. Это было революционное предположение.

Франк и Герц предположили, что характеристика их экспериментов 4,9 В была вызвана ионизацией атомов ртути в результате столкновений с летающими электронами, испускаемыми на катоде. В 1915 году Бор опубликовал статью, в которой отмечал, что измерения Франка и Герца больше соответствовали предположению о квантовых уровнях в его собственной модели атомов. В модели Бора столкновение возбудило внутренний электрон внутри атома с его нижнего уровня на первый квантовый уровень над ним. Модель Бора также предсказывала, что свет будет излучаться, когда внутренний электрон вернется со своего возбужденного квантового уровня на самый нижний; его длина волны соответствовала разности энергий внутренних уровней атома, что было названо соотношением Бора. Наблюдение Франком и Герцем излучения их трубки на длине волны 254 нм также соответствовало точке зрения Бора. После окончания Первой мировой войны в 1918 году Франк и Герц в значительной степени восприняли точку зрения Бора для интерпретации своего эксперимента, который стал одним из экспериментальных основ квантовой механики. Как описал это Абрахам Пайс, «красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потерь энергии E 2-E1падающего электрона, но они также заметили, что, когда энергия этого электрона превышает 4,9 эВ, ртуть начинает излучать ультрафиолетовый свет определенной частоты ν, как это определено в приведенной выше формуле. Тем самым они дали (сначала невольно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора! " Сам Франк подчеркнул важность эксперимента с ультрафиолетовым излучением в эпилоге фильма Комитета по изучению физических наук (PSSC) 1960 года об эксперименте Франка – Герца.

Эксперимент с неоном

Франк -Эксперимент Герца с газом неоном: 3 светящиеся области

В учебных лабораториях эксперимент Франка – Герца часто проводится с использованием неонового газа, который показывает начало неупругих столкновений с видимым оранжевым свечением в вакууме. трубка, которая также не токсична, если трубка сломается. В случае ртутных трубок модель упругих и неупругих столкновений предсказывает, что между анодом и решеткой должны быть узкие полосы, где ртуть излучает свет, но этот свет является ультрафиолетовым и невидимым. В случае неона интервал напряжений Франка – Герца составляет 18,7 вольт, и оранжевое свечение появляется возле сетки при приложении 18,7 вольт. Это свечение будет приближаться к катоду с увеличением ускоряющего потенциала и указывать на места, где электроны приобрели 18,7 эВ, необходимые для возбуждения атома неона. При напряжении 37,4 вольт будут видны два различных свечения: одно на полпути между катодом и сеткой, а другое прямо на ускоряющей сетке. Более высокие потенциалы, разнесенные с интервалом 18,7 В, приведут к появлению дополнительных светящихся областей в трубке.

Дополнительным преимуществом неона для учебных лабораторий является то, что трубку можно использовать при комнатной температуре. Однако длина волны видимого излучения намного больше, чем предсказывается соотношением Бора и интервалом 18,7 В. Частичное объяснение оранжевого света связано с двумя атомными уровнями, лежащими на 16,6 и 18,7 эВ выше самого низкого уровня. Электроны, возбужденные до уровня 18,7 эВ, падают до уровня 16,6 эВ с сопутствующим излучением оранжевого света.

Ссылки

Дополнительная литература

Последняя правка сделана 2021-05-21 14:19:27
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте