Постулаты Бора. Опыт Франка-Герца

Таким образом ядерная модель атома в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась неспособной объяснить устойчивость атома и характер атомного спектра. Выход был предложен Нильсом Бором, путем допущений, противоречащих как классической механике, так и классической электродинамике. Допущения, сделанные Бором, содержатся в высказанных им постулатах.

Из бесконечного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн.

Излучение испускается или поглощается в виде кванта энергии hv при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина кванта энергии излучения равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона:

. (7)

Существование дискретных энергетических уровней атома подтверждается опытами, осуществленными Франком и Герцем. Схема их установки приведена на рис. 5, а. В трубке, заполненной парами ртути под небольшим давлением (~1 ммрт. ст.) имелись три электрода: катод К,сетка Си анод А.Электроны, вылетавшие из катода вследствие термоэлектронной эмиссии, ускорялись разностью потенциалов U,приложенной между катодом и сеткой. Эту разность потенциалов можно было плавно менять с помощью потенциометра П.Между сеткой и анодом создавалось слабое электрическое поле (разность потенциалов порядка 0,5 В),тормозившее движение электронов к аноду. На рис. 5, б показано изменение потенциальной энергии электрона Е= –еj между электродами при различных значениях напряжения между катодом и сеткой (j – потенциал в соответствующей точке поля).

Рис. 5.

Рис. 6.

Определялась зависимость силы тока I в цепи анода (измерявшейся гальванометром Гот напряжения V. Полученные результаты представлены на рис. 6. Сила тока вначале монотонно возрастает, достигает максимума при U =4,9 В после чего с дальнейшим увеличением Uрезко падает, достигает минимума и снова начинает расти. Максимумы силы тока повторяются при U,равном 9,8 В,14,7 В и т.д. Такой ход кривой объясняется тем, что вследствие дискретности энергетических уровней атомы могут воспринимать энергию только определенными порциями: DЕ = Е₂ – Е₁ или DЕ = Е₃ – Е₁ и т. д., где Е₁, Е₂, Е₃ – энергии 1-го, 2-го, 3-го и т, стационарного состояния.

До тех пор, пока энергия электрона меньше DЕ соударения между электроном и атомом ртути носят упругий характер, причем, поскольку масса электрона во много раз меньше массы атома ртути, энергия электрона при столкновениях практически не изменяется. Часть электронов попадает на сетку, остальные же, проскочив через сетку, достигают анода, создавая ток в цепи гальванометра Г.Чем больше скорость, с которой электроны достигают сетки (чем больше U)тем больше будет доля электронов, проскочивших через сетку, и тем, следовательно, больше будет сила тока I.

Когда энергия, накапливаемая электроном в промежутке катод – сетка, достигает или превосходит DЕ, соударения перестают быть упругими – электроны при ударах об атомы передают им энергию DЕ и продолжают затем двигаться с меньшей скоростью. Поэтому число электронов, достигающих анода, уменьшается. Например, при U = 5,3 В электрон сообщает атому энергию, соответствующую 4,9 В(первый потенциал возбуждения атома ртути), и продолжает двигаться с энергией 0,4 эв. Если даже такой электрон окажется между сеткой и анодом, он не сможет преодолеть задерживающее напряжение 0,5 В и будет возвращен обратно на сетку. Атомы, получившие при соударении с электронами энергию DЕ, переходят в возбужденное состояние, из которого они спустя весьма короткое время (~10^-8 сек) возвращаюгся в основное состояние, излучая световой квант (фогон) с частотой v = DЕ/h.

При напряжении, превышающем 9,8 D, электрон на пути катод – анод может дважды претерпеть неупругое соударение с атомами ртути, терпя при этом энергию 9,8 В, вследствие чего сила тока I снова начнет уменьшаться. При еще большем напряжении возможны трехкратные неупругие соударения электронов с атомами, что приводит к возникновению максимума при U = 14,7 В, и т. д.

При достаточном разрежении паров ртути и соответствующей величине ускоряющего напряжения электроны за время до столкновения с атомами могут приобретать скорость, достаточную для перевода атома в состояние с энергией Е₃. В этом случае на кривой I = I(U) наблюдаются максимумы при напряжениях, кратных второму потенциалу возбуждения атома (для ртути это 6,7 В).

Лекция 8

Поиск по сайту: