А.Н. Матвеев - Атомная физика (1121290), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

Однакоэлементарная теория излучения весь­м а несовершенна.Ее основным недос­татком является невозможность вы­числения коэффициентов Эйнштейна.Отношение коэффициентов (11.34)приходится находить с использова­нием аргументов, лежащих вне рамоктеории. Лишь последовательная кван­товая теория позволила теоретическивычислитькоэффициентыЭйн­штейна.12.

Опыты Франка-ГерцаОписываются опыты, давшие первое прямоеэкспериментальное доказательство дискретнос­ти атомных состояний.Идея опытов Франка - Герца. ОпытыФранка и Герца (1913) дали прямоедоказательство дискретности атом ­ных состояний. При неупругих столк­новениях первого рода (см. § 7) междуэлектроном и атом ом происходит пе­редача энергии от электрона к атому.76 3. Д искретность атомны х состоянийА845Схема опытов Ф р ан к а-Г е р ц аif;^.........!'~ТГ46Вольт-амперная характеристика, полученная вопытах Франка и ГерцаЭлектрон может иметь лю бую кине­тическую энергию.

Если внутренняяэнергия атом а изменяется непрерыв­но, то при столкновениях электроновс атом ам и передается лю бая порцияэнергии, совместимая с законом со­хранения. Н апомним, что ввиду боль­шой разницы масс электрона и атом аизменение кинетической энергии ато­ма при столкновениях невелико и принеобходимости учитывается по фор­м улам классической механики.Если состояния атомных системдискретны, то внутренняя энергия ато­мов при столкновении изменяетсялишь на конечные значения, равныеразности энергий атом а в стационар­ных состояниях. Следовательно,при неупругом столкновении электронможет передать атом у лишь опреде­ленную порцию энергии.

И змеряяэнергии, передаваемые электроном ато­му при столкновении, можно сделатьзаключение о разности энергий со­ответствующих состояний атома.В этом и заключается идея опытовФ р ан ка-Г ер ц а.Схема опытов. Между горячим ка­тодом К и сеткой А приложена раз­ность потенциалов U, которая уско­ряет электроны, покидающие поверх­ность катода (рис.

45). Электроныускоряются в атмосфере паров ртутипри малом давлении около 1 мм рт. ст.(ж 130 Па). В процессе движенияэлектроны испытываю т столкновенияс атом ам и ртути. За сеткой А рас­положена пластина В. Между сеткойА и пластиной В приложен неболь­шой задерживающий потенциал U 3( ^ 0 , 5 В). Таким образом, в про­странстве между сеткой А и пласти­ной В электроны торм озятся. Еслинекоторый электрон проходит сеткуА с энергией, меньшей 0,5 эВ, то онне доходит до пластины В.

Толькоэлектроны, энергии которых при про­хождении сетки больше 0,5 эВ, по­падаю т на пластину В. Их число м о­жет быть измерено по силе тока, иду­щего через амперметр G.В экспериментах снималась вольтамперная характеристика (рис. 46).М аксимумы силы тока отстоят другот друга на равных расстояниях. Рас­стояние между последовательнымимаксимумами ж 4,9 В. Первый мак­симум расположен при U = 4,1 В. О д­нако э то -и зм е р я е м ая вольтметромразность потенциалов между катодоми сеткой-анодом . Фактическая же раз­ность потенциалов несколько отлича­ется от этого значения (в ускоряющихтрубках с горячим катодом катод ианод сделаны из различных м етал­лов).

Следовательно, между катодоми анодом существует некоторая кон­тактная разность потенциалов, кото­рая ускоряет электроны даже в от­сутствие приложенной извне разности§ 12. Опыты Ф р а н к а -Г е р ц а 77потенциалов. В опытах эта контакт­ная разность потенциалов была равна0,8 В. П оэтому, чтобы получить фак­тическую разность потенциалов, ко­торая ускоряет электроны, необходи­мо к U прибавить 0,8 В. Это приводитк сдвигу всей кривой на рис. 46 впра­во на 0,8 В. Расстояние между м ак­симумами от этого не изменяется, нопервый максимум попадает на раз­ность потенциалов 4,9 В.Интерпретация результатов опыта.Чтобы объяснить такой характер вольтамперной характеристики, необходи­мо допустить, что при столкновенииэлектронов с атом ам и ртути послед­ние м огут поглощ ать лишь дискрет­ные порции энергии, равные 4,9 эВ.При энергии электронов, меньшей4.9 эВ, их столкновения с атом ам иртути могут быть только упругими иэлектроны приходят на сетку с энер­гией, достаточной для преодолениязапирающего потенциала между сет­кой А и пластиной В.

К огда разностьпотенциалов достигнет 4,9 эВ, элект­роны при неупругом столкновении сатом ами ртути вблизи сетки отдадутим всю свою энергию и уже не смогутпреодолеть запирающей разности по­тенциалов между сеткой А и пласти­ной В. Следовательно, на пластину Вмогут попасть лишь электроны, неиспытавшие неупругого столкновения,и поэтому при разности потенциалов4.9 В сила тока начинает уменьшаться.К огда разность потенциалов достига­ет такого значения, что достаточноечисло электронов после неупругогостолкновения успевает приобрести энер­гию, необходимую для преодоленияОпыты Франка и Герца (1 9 1 3 )д а п и пря­м ое эксперим ентальное доказательстводискретности атомных состояний.^Что такое резон ансны е потенциалы и какиехарактеристики атом ны х состояний они п о­зволяю т определить?задерживающего потенциала, начинается новый рост силы тока.

При до­стижении разности потенциалов 9,8 Вэлектрон после одного неупругогостолкновения приходит к сетке с энер­гией х 4,9 эВ, достаточной для второ­го неупругого столкновения. При вто­ром неупругом столкновении электронтеряет всю свою энергию и не до­стигает пластины В. П оэтому силатока начинает уменьшаться (второймаксимум на вольт-амперной харак­теристике). Последующие максиму­мы объясняются аналогично.

Из опы­та следует, что разница в энергииосновного состояния атом а ртути иближайшего возбужденного состоя­ния равна 4,9 эВ, что и доказываетдискретность состояний атомных сис­тем.Аналогичные опыты в дальней­шем были произведены с другимиатомами. Для всех них были полу­чены характерные разности потенциа­лов, называемые резонансными потен­циалами. Д ля калия резонансный по­тенциал равен 1,63 В, для н атри я2,12 В и т.д .

Резонансный потенциалсоответствует переходу атом а с ос­новного состояния (с минимальнойэнергией) в ближайшее возбужденноесостояние. Однако у атом а кромеближайшего (первого) возбужденногосостояния имеется множество другихвозбужденных состояний. Поэтому ес­ли атом у сообщ ить энергию, доста­точную для перехода в более высокоевозбужденное состояние, он такой пе­реход может совершить.

Д ля исследо­вания высших степеней возбужденияатом а используется несколько видо­измененная методика, однако прин­цип исследования не меняется и нетнеобходимости описывать соответст­вующие опыты.Все опыты такого рода приводят кзаключению, что78 3 Д искретность атомных состоянийсостояния атомных систем изменяю т­ся лишь дискретно.Представление о дискретности атом­ных состояний противоречит класси­ческой механике. Это означает, чтоклассическая механика неприменимадля описания поведения атомных сис­тем.13. Атомные спектрыВо второй половине прошлого сто­летия были проведены многочислен­ные и тщательные исследования спект­ров излучения. Оказалось, что спектризлучения молекул состоит из ш иро­ких размы тых полос без резких гра­ниц.

Такого рода спектры были на­званы полосатыми. Спектр излученияатом ов имеет совсем другой вид. Онсостоит из отдельных, резко обозна­Излагаются экспериментальные закономерностиченных линий. В связи с этим спектрыатомных спектров и анализируется их несов­атом ов были названы линейчатыми.местимость с классическими представлениямиДля каждого элемента имеется впол­об излучениине определенный излучаемый им ли­Возбуждение спектров излучения. М а­ нейчатый спектр.

Вид линейчатоготериальные тела являю тся источника­ спектра не зависит от способа воз­ми электромагнитного излучения. В буждения атома. П о спектру можнопринципе существует два вида излуче­ определить элемент, которому он при­ния, различающихся способом их воз­ надлежит.Линии в спектрах располагаю тсябуждения:закономерно. Найти закономерности1) тепловое излучение;2) различные виды люминесцен­ расположения линий излучения в ли­ции: а) электролюминесценция, б) хе- нейчатых спектрах и объяснить этимилюминесценция, в) флуоресценция. закономерности было важнейшей за­Тепловое излучение возникает в ре­ дачей физического исследования. Пер­зультате нагревания тел.вые шаги были сделаны в направле­При столкновении друг с другом нии подбора эмпирических формул,атомы и молекулы приобретают энер­ которые бы правильно описывали по­гию, переходя в возбужденное состоя­ ложение отдельных линий в спектрах.ние.

Затем эту энергию они излучают. Первый удачный шаг был сделан Бальмером, нашедшим эмпирическую фор­Таким образом,источником энергии при тепловом из­ мулу для части линий излучения влучении является кинетическая энер­ спектре атом а водорода.Экспериментальные закономерностигия теплового движения атом ов и м о­в линейчатых спектрах. Анализ эмпи­лекул.Люминесценцией называю тся все рического м атериала по линейчатымвиды испускания света, в которых спектрам показал, что отдельные ли­кинетическая тепловая энергия несу­ нии в спектрах могут быть объедине­щественна для механизма возбужде­ ны в группы линий, которые принятония. Электролюминесценцией назы ва­ называть сериями.

Характеристики

Список файлов книги