Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 21
Текст из файла (страница 21)
при г) = 0,1 В) ток в гальванометре С резко Рис. 25 падает. Разность показаний гальванометра при 1г~ = 0 и Ъг = 0,1 В может служить мерой для числа электронов, вылетевших из сетки с энергией меньше 0,1 эВ, т.е. для числа электронов, испытавших неупругие столкновения в окрестности рассматриваемого критического потенциала. Так как электроны ствлкиваются с атомами там, где электрического поля нет, то после столкновения они не могут вновь набрать энергию, достаточную для возбуждения атома. По этой причине на кривой! = П'г') уже не появятся равноотстоящие максимумы, соответствующие одному и тому же критическому потенциалу. Кратного повторения таких максимумов, как было раньше, не произойдет, Непосредственное исключение контактной разности потенциалов окажется невозможным.
Однако контактную разность потенциалов можно найти и затем учесть ее влияние, если известно значение хотя бы одного критического потенциала. Можно также воспользоваться смесью двух газов, для одного из когорых критические потенциалы известны. 7. Опыты Франка и Герца подтверждают также и второй постулат Бора, т.е. правило частот. Оказывается, что при ускоряющем напряжении меньше первого критического потенциала — 4,9 В пары ртути не светя гся.
В этом случае нет возбужденных атомов ртути, а следовательно, и их переходов в невозбужденное состояние. При повышении ускоряющего напряжения примерно до 4,9 В появляются первые возбужденные атомы. При переходах их в нормальное состояние должно появиться свечение. И действительно, в этом случае наблюдается свечение, состоящее из одной резонансной ультрафиолетовой линии Л = = 253,7 нм. Конечно, для наблюдения этого свечения стеклянный баллон, в котором находятся пары ртути и остальная аппаратура, не годится, так как стекло непрозрачно для ультрафиолетовых лучей. Не годится и стеклянная оптика для исследования спектрального состава излучения.
Подходящими материалами могут быть кварц или флюорит, прозрачные соответственно приблизительно до 180 и 120 нм. По длине волны линии Л = 253,7 нм можно вычислить и первый критический потенциал ртути, и притом значительно точнее, чем по максимумам на кривой 1 = г'(1'), получаемой в опытах Франка и Герца. й 14) Эксперимент льнов по»»тоерждение постулатов Бора 85 Для этой цели можно воспользоваться формулой йс йз — 6» = ер = Ьи = —. Л Подстановка в нее числовых значений дает 1240 'г'(В) (14.1) Полагая в этой формуле Л = 253,7 нм, найдем Ъ' = 4,887 В, что хорошо согласуется со значением 4,9 В, полученным в опытах Франка и Герца.
При более совершенной методике эксперимента у атомов ртути обнаруживается второй критический потенциал ь' = 6,7 В. При этом при переходе в основное состояние появляется излучение с длиной волны Л = 184,9 нм. Этой спектральной линии по формуле (14.1) соотне гствует И = 6,705 В, что также находится в превосходном согласии с опытом. Третий критический потенциал ртути 10,4 В является уже нонизацнонным. Следовательно, при И > 10,4 В должны происходить переходы из несвязанных состояний на все нижележащие энергетические уровни.
И действительно, опыт показал, что при этом возбуждается полный атомный спектр ртути. 8. Для возбуждения и наблюдения свечения газа ударами электронов установку лучше несколько изменить, так как теперь ускоряющее поле уже не требуется. Принципиальная схема, пригодная для наблюдения свечения, приведена на рис. 26. Ускоряющее напряжение и' создается между подогреваемым катодом К и окружающей его цилиндрической сеткой Я. В свою очередь сетка Я окружена цилиндрическим анодом А .
Зазор между катодом К и сеткой Я должен быть небольшим, чтобы в нем происходило мало столкновений. Напротив, пространство между сеткой Я и анодом А должно быть относительно большим, чтобы почти все столкновения происходили именно в этом пространстве. Это пространство должно быть свободно от поля, для чего анод и сетка соединяются между собой. Таким образом, как и в установке Герца я т я (см. рис.
25), ускоряющий промежуток отделен от пространства, где электроны с»алкина»ется с атомами газа и возбуждают их. Допустим, например, что лампа заполнена парами натрия. Опыт показывает, что пары на- 6 трия не светятся, если ускоряющее напряжение Ъ меньше 2,1 В.
При напряжении 2,1 В начинает возбуждаться только желтая Р-линия натрия Л = 589,6 нм. Значит, она является резонансной линией, а И = 2,1  — резонансным потенциалом. Иго величину можно уточнить, подставив значе- Рис. 26 ние Л в формулу (14.1). Это дает и' = 2,103 В. При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения появляются остальные линии спектра испускания натрия. Строение, энергетические уровни и спектры атома ~Гл. !! 9 15. Резонансное свечение и люминесценции 1. В добавление к предыдущему параграфу рассмотрим опыты Вуда (1868-1955) по возбуждению свечения в газах, начатые в 1904- 1905 гг.
В эвакуированный стеклянный баллон Вуд помешал кусочек металлического натрия. После нагревания баллон наполнялся парами этого металла. Конденсорная линза концентрировала на парах натрия свет от горелки, в пламя которой вводилась поваренная соль. Такой источник света обильно испускал две желтые линии Р, и Вз натрия с длинами волн Лп — — 589,6 нм и Лп, — — 589,0 нм. На пути падающего пучка пары натрия начинали светиться ярким желтым светом, распространявшимся во все стороны, а не только в направлении падающего света. Спектроскопическое исследование показало, что свечение состоит из тех же двух желтых линий натрия В1 и Рз.
Оказалось также, что линии В1 и Вг сильно поглощаются парами натрия. С повышением температуры, а следовательно, и плотности паров поглощение увеличивается. Глубина проникновения падающего света в пар уменьшается. Вследствие этого продольные размеры светящейся области сокращаются. При достаточной плотности паров свечение сосредоточивается в тонком поверхностном слое в месте вхождения падающего пучка света.
При этом обе линии В1 и Вя расширяются и в конце концов сливаются. Аналогичное явление Вуд наблюдал и в парах ртути. Возбуждающим светом служило ультрафиолетовое излучение ртути с длиной волны Л = 253,7 нм. Конечно, во избежание сильного поглощения сосуд, содержащий ртутные пары, в агом случае должен быгь изготовлен из кварца, а источником света может служить, например, ртутная кварцевая лампа. Оказалось, что ртутные пары сильно поглощают свет именно с длиной волны Л = 253,7 нм, а затем переизлучают его во все стороны с той же длиной волны. Явление удалось наблюдать, освещая ртутные пары и второй линией ртути Л = 185,0 нм, хотя в этом случае наблюдение значительно труднее, так как указанная линия поглощается гораздо сильнее.
Впоследствии удалось распространить наблюдения и на другие элементы. Не вызывает сомнения, что описанное явление существует во всех веществах, хотя его воспроизведение практически осложняется сильным поглощением и необходимостью иметь подходящий источник света. 2. В то время, когда Вуд наблюдал описанные явления, их, конечно, истолковывали классически. Атому свойственны определенные собственные частоты, с которыми он и излучает спектральные линии. При освещении атома монохроматическим светом определенной частоты в нем возбуждаются вынужденные колебания, и атом начинает пере- излучать свет с той же частотой.
Этот эффект должен быть выражен особенно сильно, когда частота внешнего излучения совпадает с одной из собственных частот атома, т.е. при резонансе. Поэтому явление получило название резонансного излучения или свечения. Конечно, приходящий в колебание атом может не только псреизлучать полученную энергию, но, например, передавать ее без излучения з 15) Резонансное свечение и яюмннссцснция окружающим атомам. Эта часть энергии в конце концов выделяется в виде тепла.
Такой эффект проявится в ослаблении или тушении резонансного свечения. Он будет выражен тем сильнее, чем сильнее взаимодействие между атомами рассматриваемого газа. В частности, это произойдет при увеличении плотности газа или при добавлении к нему атомов постороннего вещества. Так, в парах ртути при давлении 0,001 мм рт.
ст. резонансное свечение хорошо выражено. Но при добавлении водорода под давлением 0,2 мм рт.ст. интенсивность свечения убывает вдвое, а при дальнейшем добавлении водорода ослабевает еще значительнее. Аналогично действует добавление и других газов. 3. Приведенное классическое толкование резонансного излучения на первый взгляд представляется весьма убедительным и единственно возможным. При критическом рассмотрении это оказывается не совсем 1зк. Действительно, резонансное излучение не есть обособленное явление,а представляет частный случай более общего явления — излучения спектральных линий. В основе обоих этих явлений должен лежать один и тоти огсе механизм.
Происхождение спектральных линий и спектральных серий классическая физика объяснить не могла. Это удалось сделать только квантовой теории. Естественно думать, ч"го и резонансное излучение должно иметь также квантовое истолкование.
Последнее действительно существует и заключается в следующем. Квант падающего света Ьи должен возбудить атом, т.е. перевести его с нормального энергетического уровня г', на вышележащий уровень. Пусть 11з — ближайший уровень, лежащий выше 1м. Если Ьи < ба — 1ы,то энергии светового кванта Ьи недостаточно, чтобы перевести атом на уровень оъ В этом случае возбуждение атома световым квантом невозможно. Для возбуждения уровня гз з необходимо, чтобы гтз < гуг + Ьи. Максимальное возбуждение будет происходить при условии ггз = 1м + Ьи, когда вся энергия кванта Ьм расходуется на возбуждение уровня йз. Через короткое время атом с уровня 1сэ возвращается на ближайший нижележащий уровень, т.
е. 1Г и При этом излучается световой квант Ьи' = гцз — ~Г,. Таким образом, и' = и, т.е. частоты возбуждающего и переизлучаемого света одинаковы. В этом и состоит резонансное излучение, если его рассматривать с квантовой точки зрения. То обстоятельство, что в парах натрия наблюдается излучение не одиночной линии, а двух близких линий Р1 и Оз, объясняется тем, что второй возбужденный уровень йз атома натрия в действительности состоит из двух близко расположенных уровней. С квантовой точки зрения, как и с классической, понятно и явление тушения свечения при увеличении концентрации газа. Действигельно, атом, находящийся на возбужденном уровне йш может передать свою энергию без излучения окружающим атомам. Этот эффект усиливается с увеличением плотности газа или при добавлении к нему посторонних примесей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
