Экспериментальные доказательства квантовых свойств

Как мы видели в одной из предыдущих глав, Франк и Герц в опытах 1913-1916 гг. обнаружили скачкообразное изменение электронного тока, проходящего через пары ртути, что указывало на скачкообразные изменения энергии электронов,, достигшей определенного значения при столкновении с атомами ртути. Потенциалы, соответствующие таким значениям энергии, они назвали критическими. При интерпретации своих опытов Франк и Герц еще не пользовались идеями Бора о наличии дискретных энергетических уровней в атоме.

К 1919 г. они возобновляют прерванные войной эксперименты по изучению соударений электронов с атомами паров и газов, не обладающих сродством к электронам. Еще ранее подобные эксперименты возобновили английские и американские исследователи. Те и другие исследования уже развивались под влиянием идей Бора, и результаты их стали рассматриваться как экспериментальное подтверждение идеи квантованных уровней. Скачки электронного тока означали, что атом захватывал у электрона энергию, если бы она была достаточна для перехода его на высший энергетический уровень (возбуждение атома).

В 1917 г. американские физики Дэвис и Гуше усовершенствовали метод Франка и Герца введением второй сетки. Электроны, испускаемые раскаленным катодом, ускорялись полем, создаваемым разностью потенциалов V₁, накладываемой между катодом и первой сеткой. Между первой и второй сетками действовало тормозящее поле, создаваемое разностью потенциалов V₂, а между второй сеткой и первым электродом прикладывалась незначительная разность потенциалов V₃<V₂, направление которой можно менять. Такое расположение позволяет отделить возбуждение от ионизации. Если в пространстве между сетками происходит возбуждение, то возникающее излучение вырывает фотоэлектроны из второй сетки и приемного электрода и, меняя направление разности потенциалов, можно на приемном электроде создавать либо положительную, либо отрицательную электризацию. Если же в пространстве между сетками произошла ионизация, то заряд приемного электрода не меняется при изменении знака V₃, так как напряжение, ускоряющее положительные ионы, всегда больше V₃. Таким путем Дэвис и Гуше нашли два потенциала возбуждения для ртути, равные 4,9 в и 6,7 в, и потенциал ионизации 10,4 в.

Франк и Книппинг в 1919 г., а также Фут и Мёллер в 1920 г. и другие пользовались следующим методом. Так же, как и у Дэвиса и Гуше, у них имелись накаленный катод G, две сетки N и N' и приемный электрод Z. Первая сетка N находилась очень близко к катоду G и между ними прикладывалась ускоряющая разность потенциалов V. Сетка N' находилась при том же потенциале, что и N, и между N и N' поля нет. Приемная пластинка Z через гальванометр соединяется с землей, так что между N' и Z устанавливается сильное поле, задерживающее электроны. В пространстве между N и N' при изменении напряжения V возникает возбуждение с последующим "высвечиванием". Высвечиваемое излучение вырывает фотоэлектроны с пластинки Z, что создает фотоэлектрический ток I. Зависимость этого тока от V дает ряд максимумов и минимумов, каждый из которых соответствует определенной линии излучения и определенному потенциалу возбуждения.

Этим методом Франк и Эйншпорн в 1920 г. провели исследование паров ртути при различных давлениях. Они нашли 18 критических потенциалов и для 13 из них смогли указать сериальную формулу соответствующей линии.

Различные исследователи за время до 1924 г. исследовали критические и ионизационные потенциалы различных паров и газов методом столкновений с электронами. Так, Франк и Книппинг нашли в 1919 г. для ионизационного потенциала гелия значение 25,3 в. В 1922 г. Франк указал, что для всех критических потенциалов значения должны быть понижены приблизительно на 0,7-0,8 в. Исправленное значение ионизационного потенциала гелия, таким образом, оказалось равным 24,5 в. Модель Бора давала значение 28,75 в. "Здесь я уже споткнулся, кто мне поможет идти дальше",- цитировал "Фауста" Зоммерфельд, переходя к модели нейтрального атома гелия. Трудность усугублялась еще тем, что спектр нейтрального гелия распадается на два: одна серия образована простыми термами, вторая двойными. Основной терм первой системы, принадлежащий паргелию, 1S, основной терм ортогелия 2S. Термы ортогелия не комбинируют с термами паргелия. Объяснение этому факту пытались искать в различных моделях паргелия и ортогелия: орбиты электронов парагелия предполагались образующими между собой угол до 120°, орбиты электронов ортогелия лежат в одной плоскости. Ни та, ни другая модель, однако, не соответствовала фактам. Неудача с атомом гелия - одна из причин, вызвавших кризис теории Бора.

Спектроскописты различают в зависимости от происхождения спектра данного элемента два вида спектров: дуговой и искровой. Бор считал, что дуговой спектр принадлежит нейтральным атомам, искровой - ионизованным. Это мнение стало общепринятым. В 1919 г. В. Коссель и А. Зоммерфельд высказали правило смещения, согласно которому искровой спектр всякого элемента имеет такой же характер, как и дуговой спектр предшествующего элемента в периодической системе. Этот факт находит объяснение в теории Бора.

Квантовые идеи получили блестящее подтверждение в опытах по фотоэффекту.

Знаменитая работа Р. Милликена, которая заставила Иоффе отказаться от задуманных им фотоэлектрических опытов, была опубликована в 1916 г. Реферат этой работы был помещен Ядвигой Шмидт в ЖРФХО за 1917 г. Однако достоянием русской научной литературы в полной мере она стала только в 20-х годах в связи с переводом книги Милликена "Электрон" и выходом дополнительного тома курса физики Хвольсона. Мы дадим здесь описание этой работы.

Свой прибор Милликен назвал "мастерской в вакууме". Исследуя литий, натрий и калий, он вытачивал из них цилиндры и помещал их на окружность вращающегося в вакуумной трубке диска. Вращение вызывалось действием сильных магнитов, и цилиндры могли помещаться либо перед окошечком, через которое производится их освещение, либо перед ножом, срезающим с поверхности цилиндра некоторый слой. Фотоэлектроны падают в фарадеев-ский цилиндр, в дне которого проделано окошечко, а стенки соединены с электрометром. Таким образом, торцовая поверхность наших цилиндров либо помещается перед окошечком и фарадеевским цилиндром, либо перед ножом, приводимым в движение электромагнитом и снимающим с торцов цилиндра некоторый слой, после чего он вновь поворачивается к окошечку свежей стороной. В своих экспериментах Милликен определил контактный потенциал, задерживающий наиболее быстрые электроны и его зависимость от частоты. Из своих измерений Милликен мог определить постоянную Планка h.

В 1920 г. Ладенбург дал сводку различных значений h, определенных различными методами. Эта сводка дана в следующей таблице:

Таким образом, к 1920 г. теория квантов получила надежную экспериментальную основу.