Опыты Франка и Герца

Важнейшими результатами теоретической работы физиков в военные годы было создание общей теории относительности Эйнштейном и развитие квантовой теории Бором и Зоммерфельдом, Эренфестом, Эпштейном и др. История создания общей теории относительности была изложена в четвертой главе, и мы обратимся к истории развития квантовой теории атомов.

Д. Франк

Весьма важным фактом в истории атомной теории Бора было экспериментальное подтверждение Дж. Франком и Густавом Герцем боровской идеи о наличии в атоме дискретных энергетических уровней. Правда, первые работы Франка и Герца 1913 г. не опирались на теорию Бора и были выполнены еще до ее появления и потому интерпретировались ими неправильно. Их установка была развитием установки Ленарда 1902 г. и представляла собой замкнутый сосуд, в который была впаяна платиновая проволока Р, накаливаемая током, окруженная платиновой цилиндрической сеткой D и платиновым же цилиндром F, соединенным с электрометром. На проволоку Р накладывается потенциал 10 в, на сетку-потенциал 10+V, который можно менять по желанию. Между сеткой и цилиндром F создается тормозящее поле. Попадая в это поле, электроны, получившие в пространстве PD энергию, пропорциональную V, поворачивают обратно, будучи не в состоянии преодолеть тормозящую разность потенциалов 10+V. Если же они произвели в пространстве DF ионизацию частиц, то положительные ионы попадают на цилиндр и заряжают электрометр. Пока потенциал V меньше некоторой величины V_i, электрометр не заряжается, при V = V_i электрометр заряжается. Франк и Герц нашли следующие значения потенциалов V_i, которые они считали ионизационными для ряда газов:

Во второй работе того же года Франк и Герц определяли среднюю длину свободного пробега электронов при разных V. Здесь они пользовались двумя сетками, находящимися при одном и том же потенциале. Электроны, испускаемые накаленным катодом, ускоряются в пространстве между катодом и сеткой А до разности потенциалов V. Пройдя через сетку A, они вступают в пространство В между сетками А и С, в котором нет поля. В пространстве же между сеткой С и приемным электродом они попадают в тормозящее поле. Приемный электрод разрезан на несколько колец. Верхняя часть прибора А может подниматься, и тем самым длина пространства В может изменяться в широких пределах. Соединяя отдельные кольца приемного электрода с электрометром, можно было изучать рассеяние пучка электронов в пространстве В. Основной результат этих опытов Франка и Герца состоял в том, что они доказали наличие упругих столкновений электронов с молекулами газа. Особенно велики удары упругих столкновений в благородных газах. Существование упругих ударов в гелии Франк и Герц окончательно доказали, видоизменив прибор. В водороде также имеют место упругие удары, однако при столкновениях электрон теряет заметную часть энергии и особенно значительную в кислороде.

Г. Герц

В работах 1914 г. Франк и Герц подробно изучали неупругие удары. Схема опытов оставалась в основном прежней: платиновая проволочка D, накаливаемая током, является источником электронов, сетка N и приемный электрод G соединяются через чувствительный гальванометр с землей. Расстояние DN = 4 см, NG = 2 мм. Между D и N прилагалась ускоряющая разность потенциалов V₁, между N и G - замедляющая разность потенциалов V₂. Когда V₁<V₂, тока в гальванометре нет, при V₁>V₂ в гальванометре возникает ток, сила которого растет с увеличением V₁. Но когда V₁=V₂ ток падает. Это означает, что соударение электронов с атомами ртути (прибор заполняется парами ртути) становится неупругим. Франк и Герц предполагали, что при V₁V_i происходит ионизация атома, при этом ударяющие электроны теряют свою энергию и не могут преодолеть тормозящее напряжение V₂, а электроны, оторвавшиеся в результате ионизации, не имеют достаточной энергии. Если теперь снова увеличивать V₁, то появляется вновь ток, поскольку место ионизации приближается к D. Когда напряжение V₁ станет равным 2V_i+V₁ то опять происходит вторая ионизация вблизи сетки N и ток снова падает и т. д. Графически зависимость силы тока в гальванометре от напряжения V₁ при заданном V2 изображается знаменитой ступенчатой кривой Франка и Герца. Расстояние между соседними максимумами равно V_i. Франк и Герц нашли, что для ртути V_i = 4,9 в, и считали это значение равным ионизационному потенциалу ртути, что неверно. Вместе с тем они показали, что линия λ = 2537 А⁰, открытая в парах ртути Р. В удом и названная им резонансной линией, соответствует энергии электрона 4,84 эв, и вывели отсюда, что при неупругом ударе часть энергии электрона может переходить в квант света, соответствующий длине волны 2537 А⁰. В последней работе 1914 г. они действительно показали, что при V, близком к 5 в, пары ртути испускают линию 2537 А⁰. Таким образом, по мнению Франка и Герца, неупругий удар может производить либо ионизацию атома, либо его возбуждение с последующим высвечиванием. Дальнейшее исследование неупругих столкновений были прекращены войной и только после войны исследования возобновились и была найдена правильная интерпретация ступенчатой кривой. Оказалось, что атом поглощает энергию квантованными порциями, соответствующими его энергетическим боровским уровням. Потенциал V_i = 4,9 в является не ионизационным потенциалом, как думали Франк и Герц, а резонансным, соответствующим возбужденному энергетическому уровню. Ионизационный потенциал ртути оказался равным 10,3 в. Все эти результаты были получены в 1917 г. под влиянием получивших уже всеобщее признание идей Бора. Как раз в 1917 г. Дэвис и Гуше провели исследование, позволяющее отличить потенциалы возбуждения от ионизационных. Они усовершенствовали метод Франка и Герца, введя вторую сетку перед приемной пластинкой. Для ртути они нашли потенциалы возбуждения 4,4 и 6,7 в и ионизационный потенциал 10,4 в. Это явилось блестящим подтверждением идей Бора. С 1919 г. Франк и Герц возобновили свои исследования, а в 1925 г. им была присуждена Нобелевская премия "За их открытие закона, управляющего столкновением электрона с атомом". Этот закон состоит, очевидно, в том, что электрон, обладающий энергией, недостаточной для перевода атома в возбужденное состояние, испытывает упругие столкновения. Неупругие столкновения сопровождаются потерей энергии электроном, причем эти потери носят скачкообразный, дискретный характер, обусловленный переходом атома из одного квантового состояния в другие. Обратимся теперь к теоретическим исследованиям.