Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Схема опыта Франка и Герца приведена на рис. 22. Ускоряющая разность потенциалов И приложена между накаливаемым катодом К Рис. 22 и сеткой Я. Выйдя из К электроны, пройдя через пары ртути, направляются к сетке Я. Если их кинетическая энергия еще достаточно велика, то после прохождения через сетку они могут преодолеть небольшой задерживающий потенциал 1г1 порядка 0,5 В и попасть на собирающий электрод (коллектор) Р. В противном случае они не смогут преодолеть задерживающий потенциал 1гг и на коллектор не попадут. Электронный ток 1 на коллектор измеряется гальванометром. Амперметр А служит для контроля постоянства тока накала.
Стеклянный баллон, в который заключены накаливаемый катод, сетка и коллектор, на рис. 22 не изображен. Если бы в сосуде поддерживался вакуум, то примерная зависимость термоэлектронного тока 1 от ускоряющего напряжения И представлялась бы кривой, приведенной на рис.23. Из-за пространственного заряда эта кривая в самом начальном участке следовала бы закону трех вторых. При больших напряжениях получался бы ток насыщения, не зависящий от 1' (см.
т.!П, 2 101). Опыт показал, что при наличии в сосуде ртутных паров или других газов кривая 1 = 1([ ') имеет качественно совсем другой вид. На ней появляются резко выраженные максимумы и минимумы тока. Для ртути (рис. 24) расстояния между двумя соседними максимумами или минимумами равны 4,9 В. Такие максимумы и минимумы свидетельствуют о дискретном характере энергетических уровней атома, причем для атома ртути ближайший энергетический З 14) Эксперимент льнов подтверждение постулатов Бора 81 уровень лежит выше нормального (наинизшего) уровня примерно на 4,9 эВ.
0 5 10ЪВ Рнс. 24 Рис. 23 3. Действительно, столкновения электрона с атомами ртути могут быть упругими и неупругими. При упругих столкновениях внутреннее состояние агама ртути не меняется, а потому кинетическая энергия электрона не тратится на его возбуждение. Она может переходить только в кинетическую энергию атома как целого. Но с этим процессом можно совсем не считаться, так как масса атома ртути почти в 400 тысяч раз превышает массу электрона.
Прн столкновении с атомом электрон отражается от него, как от неподвижной стенки, меняя только направление своего движения. При этом можно не учитывать теплоного движения самого атома, так как средняя энергия такого движения (3 12) ЙТ очень мала по сравнению с энергией, приобретаемой электроном при ускорении в электрическом поле. Пока кинетическая энергия электрона меньше й е - -4,9 эВ, он не может переводить атом ртути в возбужденное состояние все столкновения будут упругими.
Понятно, что среди множества упругих столкновений электрона с атомами ртути имеются не только сголкновения, в которых электрон теряет направление первоначального движения, но и столкновения, при которых это направление почти восстанавливается. Если электрон был в состоянии преодолеть задерживающий потенциал до столкновений, то он сможет сделать "го же самое н после нескольких упругих столкновений при условии, что направление его движения осталось прежним. Поэтому, пока столкновения упругие, электронный ток 1 растет с ростом напряжения Ъ'. Положение меняется, когда энергия электрона достигает значения йд — — 4,9 зВ илн больше. Тогда электрон сможет затратить свою кинетическую энергию или часть ее на возбуждепие атома ртути.
В этом случае столкновения называются неупругими. Если при этом оставшейся кинетической энергии электрона окажется недостаточно, чтобы преодолеть задерживающий потенциал $'ы то электрон на коллектор 1э не попадет, и с ростом напряжения Г электронный ток 1 начнет убывать. При достижении энергии Ф~ ток 1 не падает скачкообразно до нуля, так как не все скорости электронов одинаковы, хотя бы Строение, энергетические уровни и спектры атома ) Гл. !! потому, что при вылете из нити получается тепловой разброс скоростей. Кроме того, для преодоления задерживающего поля имеет значение не полная скорость электрона, а только ее продольн я составляющая, т.
е. составляющая вдоль поля; поперечная составляющая роли не играет. А эта составляющая меняегся при упругих столкновениях — сохраняется только полная скорость. Все это надет к сглаживанию кривой 1 = 1(!г). Этим же объясняется, почему максимумы на кривой тока получаются не точно прн энергии й ы достаточной для возбуждения атома, а при энергии несколько мсныпей. При дальнейшем возрастании ускоряющего напряжения электрон, оставшийся после упругого столкновения в ускоряющем иоле, может вторично набрать энергию, достаточную для возбуждения первого энергетического уровня атома ум Если он снова претерпит неупругое столкновение н потеряет энергию, то при достаточно высоком потенциале г' он может в третий рвз ускориться до энергии, необходимой для возбуждения того же первого энергетического уровня атома, и т.
д. В результате таких многократных возбуждений уровня !Г~ на кривой 1 = 1(Р) и появляются максимумы вблизи значений энергии бы 2)м, Зй г и т д. Наличие контактной разности потегщиалов между катодом и сеткой искажает показания вольтметра г', смещая всю кривую 1 = = 1!у') вправо или влево. Однако контактная разность потенциалов исключается, если величину бг определять по расстоянию между соседними максимумами тока 1 = 1(1~), которое от нее не зависит. 4. Неупругое столкновение с возбуждением первого возбужденного уровня У4 может и не произойти.
Электрон может продолжать увеличивать свою энергию в электрическом поле, пока она не достигнет значения, достаточного для возбуждения второго энергетического уровня йа, третьего уровня Л э и т. д. Ускоряющие напряжения, соответствующие этим уровням энергии, называются погпенциалами возбужден я или критическими потгхциалами. Таким образом, в принципе на кривой 1 = 1(!г) вблизи критических потенциалов могут появиться новые максимумы. Однако в плотных газах этого фактически не происходит.
"!ак было и в первых опьгтах Франка и Герца (при температуре, например, 210 аС давление ртутных паров составляет 24 мм рт. ст.). Дело в том, что для накопления нужной энергии электрон без неупругих столкновений должен пройти в ускоряющем электрическом поле расстояние, большое по сравнению с длиной свободного пробега между двумя последовательными неупругими столкновениями. Это условие в случае плотных газов не выполняется. Возбуждение высших энергетических уровней !!з, йз, ..., возможно при более низком давлении газа и более совершенной аппаратуре (см.
и. 6). 5. Однако, незначительно изменив схему рис. 22, можно приспособить ес для измерения иотенциалоо иохизации атомов. Потенциал ионизации — это наименьшее усхоряюи!ее напряжение, при котором атомы начинают ионизоваться и образовываются положительные ионы, 11онятно, что для возможности ионнзации электроны должны быть ускорены до энергии, не меньшей энергии ионизации атома В случае ртути для этого температура печи должна быть невысокой, З 14) Эксперимент льнов. подтверждение постулатов Бора 83 чтобы давление ртутных паров составляло примерно 0,5 мм рт.
ст. Схема рис. 22 сохраняется, "! олько теперь положительный полюс волы метра Ъ~ надо соединить с отрицательным, а не с положительным полюсом вольтметра Ъ'. Тогда всегда потенциал коллектора будет примерно на 0,5 В ниже потенциала катода, каково бы ни было значение ускоряющего сеточного напряжения. Благодаря этому электроны, испускаемые катодом, не смогут попадать на коллектор.
Ток через гальванометр С не пойдет, пока нет положительных ионов, т. е. пока ускоряющий сеточный потенциал ниже потенциала ионизации. Как только ускоряющее сеточное напряжение достигнет потенциала ионизации, начнут образовываться положительные ионы через гальванометр пойдет ток. Показание волыметра у' в этот момент и даст потенциал ионизации ртути. Конечно, в это показание должна быть введена поправка на контактную разяость потенциалов между катодом и сеткой, которая находится из предыдущих измерений первого потенциала возбуждения рту ги.
6. Чтобы повысить разрешающую способность прибора и наблюдать максимумы, соответствующие высшим энергетическим уровням ртути, можно воспользоваться прежней схемой, изображенной на рис. 22, но вместо одной взять две сетки, между когорыми накладывается слабое ускоряющее напряжение порядка 0,1 В. Основное ускоряющее напряжение создается между катодом и первой сеткой, а тормозящее напряжение — между второй сеткой и коллектором. Этим достигается то преимущество, что создается большое пространство между сетками, 'почгаи свободное от 'по л. В таком пространстве электроны, ускоренные до потенциала возбуждения или выше, главным образом и претерпеваюг неунругие столкновения.
Напротив, расстояняе между катодом и ускоряющей сеткой должно быть невелико, чтобы между ними было относительно мало столкновений. С этим и связано повышение разрешающей способности прибора. Понятно, что давление авва в трубке должно быть невысоким (для ртутных паров порядка 5 — б мм рт. ст.). Таким путем у атома ртути обнаруживается второй потенциал возбуждения 1" = 6,7 В. Третий потенциал возбуждения 'г' = 10,4 В является уже ионизационным. Более совершенный и чувствительный метод измерения критических потенциалов был разработан Герцем. В этом методе электроны, вылетевшие из катода К (рис.
25) и ускоренные потенциалом И, попадают в свободное от поля пространство, ограниченное цилиндрической сеткой. изображенной на рис.25 штриховой линией (меридиоизльный разрез). Там происходят их столкновения с атомами газа. При упругих столкновениях электроны, не геряя энергии, отклоняются и могуг вылетать через боковую поверхность сетки в слабое задерживающее поле, создаваемое потенциалом 1'~ 0,1 В, наложенным между сеткой и окружающим ее собирающим электродом Р (коллектором). Энергия электронов достаточна, чтобы преодолеть г) и попасть на Р. Если же при увеличении ускоряющего напряжения 1' появятся неупругие столкновения, то после столкновения энергия электрона может оказаться недостаточной, чтобы преодолеть задерживающее поле и попасть на коллектор Р.
Ток на коллектор Р измеряется гзльваиоматром С. Измерения производятся при двух близких значениях задерживающего потенциала; Р) = 0 и, например, 1'~ =- 0,1 В. ~Гл. П Строение, энергетические уровни и спектры атома 84 Пока столкновения упругис, показания гальванометра в обоих случаях практически одинаковы. Если же ускоряющее напряжение р достигает значения одного из критических потенциалов, то появляются неупругие столкновения, и во втором случае (т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
