Эксперимент Франка -Герца был первым электрическим измерением, которое ясно показало квантовую природу атомов и, таким образом, «изменило наше понимание мира». [1] Он был представлен 24 апреля 1914 года Немецкому физическому обществу в статье Джеймса Франка и Густава Герца . [2] [3] Франк и Герц разработали вакуумную трубку для изучения энергичных электронов , пролетающих через тонкие пары атомов ртути . Они обнаружили, что когда электрон сталкивается с атомом ртути, он может потерять только определенное количество (4,9 электрон-вольта ) своей кинетической энергии , прежде чем улететь. [4] Эта потеря энергии соответствует замедлению электрона со скорости около 1,3 миллиона метров в секунду до нуля. [5] Более быстрый электрон после столкновения не тормозится полностью, а теряет ровно столько же своей кинетической энергии. Более медленные электроны просто отскакивают от атомов ртути, не теряя при этом значительной скорости или кинетической энергии.
Эти экспериментальные результаты оказались совместимыми с моделью Бора для атомов , предложенной в прошлом году Нильсом Бором . Модель Бора была предшественником квантовой механики и модели электронной оболочки атомов. Его ключевой особенностью было то, что электрон внутри атома занимает один из «квантовых энергетических уровней» атома. Перед столкновением электрон внутри атома ртути занимает самый низкий доступный энергетический уровень. После столкновения электрон внутри занимает более высокий энергетический уровень с энергией на 4,9 электрон-вольта (эВ). Это означает, что электрон более слабо связан с атомом ртути. В квантовой модели Бора не было промежуточных уровней или возможностей. Эта особенность была «революционной», поскольку она несовместима с ожиданием того, что электрон может быть связан с ядром атома с помощью любого количества энергии. [4] [6]
Во второй статье, представленной в мае 1914 года, Франк и Герц сообщили об излучении света атомами ртути, поглотившими энергию от столкновений. [7] Они показали, что длина волны этого ультрафиолетового света точно соответствует 4,9 эВ энергии, которую потерял летящий электрон. Взаимосвязь энергии и длины волны также была предсказана Бором, поскольку он следовал структуре, изложенной Хендриком Лоренцем на Сольвеевском конгрессе 1911 года. В Solvay Хендрик Лоренц после выступления Эйнштейна о квантовой структуре предложил положить энергию ротатора равной nhv. [8] [9] Таким образом, Бор последовал инструкциям, данным в 1911 году, и скопировал формулу, предложенную Лоренцем и другими, в свою атомную модель 1913 года . [10] Лоренц был прав. Квантование атомов соответствовало его формуле, включенной в модель Бора. [4] Говорят , что после презентации этих результатов Франком несколько лет спустя Альберт Эйнштейн заметил: «Это так прекрасно, что заставляет плакать». [1]
10 декабря 1926 года Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике 1925 года «за открытие законов, управляющих столкновением электрона с атомом». [11]
В первоначальном эксперименте Франка и Герца использовалась нагретая вакуумная трубка, содержащая каплю ртути ; они сообщили о температуре трубки 115 ° C, при которой давление паров ртути составляет около 100 паскалей (и намного ниже атмосферного давления). [2] [12] На фотографии показана современная трубка Франка-Герца. Он оснащен тремя электродами: электроноэмитирующим горячим катодом ; металлическая сетка-сетка ; и анод . Напряжение сетки положительно по отношению к катоду, поэтому электроны, испускаемые горячим катодом, притягиваются к нему. Электрический ток, измеряемый в эксперименте, создается электронами, которые проходят через сетку и достигают анода. Электрический потенциал анода слегка отрицателен по отношению к сетке, так что электроны, достигающие анода, после прохождения сетки имеют как минимум соответствующее количество кинетической энергии . [13]
Графики, опубликованные Франком и Герцем (см. рисунок), показывают зависимость электрического тока, вытекающего из анода, от электрического потенциала между сеткой и катодом.
Франк и Герц в своей первой статье отметили, что характерная энергия их эксперимента 4,9 эВ хорошо соответствует одной из длин волн света, излучаемого атомами ртути в газовых разрядах . Они использовали квантовую зависимость между энергией возбуждения и соответствующей длиной волны света, которую они широко приписывали Иоганнесу Старку и Арнольду Зоммерфельду ; он предсказывает, что 4,9 эВ соответствует свету с длиной волны 254 нм. [2] То же соотношение было также включено в фотонную теорию фотоэлектрического эффекта Эйнштейна 1905 года . [15] Во второй статье Франк и Герц сообщили об оптическом излучении своих трубок, которые излучали свет с единственной заметной длиной волны 254 нм. [7] На рисунке справа показан спектр трубки Франка–Герца; почти весь излучаемый свет имеет одну длину волны. Для справки, на рисунке также показан спектр ртутного газоразрядного света, который излучает свет на нескольких длинах волн, помимо 254 нм. Рисунок основан на оригинальных спектрах, опубликованных Франком и Герцем в 1914 году. Тот факт, что трубка Франка-Герца излучала только одну длину волны, почти точно соответствующую измеренному ими периоду напряжения, был очень важен. [13]
Франк и Герц объяснили свой эксперимент с точки зрения упругих и неупругих столкновений между электронами и атомами ртути. [2] [3] Медленно движущиеся электроны упруго сталкиваются с атомами ртути. Это означает, что направление движения электрона в результате столкновения меняется, но его скорость остается неизменной. Упругое столкновение показано на рисунке, где длина стрелки указывает скорость электрона. Атом ртути не пострадал от столкновения, главным образом потому, что он примерно в четыреста тысяч раз массивнее электрона. [16] [17]
Когда скорость электрона превышает примерно 1,3 миллиона метров в секунду, [5] столкновения с атомом ртути становятся неупругими. Эта скорость соответствует кинетической энергии 4,9 эВ, вложенной в атом ртути. Как показано на рисунке, скорость электрона снижается, и атом ртути становится «возбуждённым». Спустя некоторое время энергия 4,9 эВ, вложенная в атом ртути, высвобождается в виде ультрафиолетового света с длиной волны ровно 254 нм. После излучения света атом ртути возвращается в исходное невозбужденное состояние. [16] [17]
Если бы электроны, испускаемые катодом, летали свободно, пока не достигли сетки, они приобрели бы кинетическую энергию, пропорциональную напряжению, приложенному к сетке. 1 эВ кинетической энергии соответствует разности потенциалов в 1 вольт между сеткой и катодом. [18] Упругие столкновения с атомами ртути увеличивают время, необходимое электрону для достижения сетки, но на среднюю кинетическую энергию прибывающих туда электронов это не сильно влияет. [17]
Когда напряжение на сетке достигает 4,9 В, столкновения электронов вблизи сетки становятся неупругими, и электроны сильно замедляются. Кинетическая энергия типичного электрона, попадающего в сетку, уменьшается настолько, что он не может двигаться дальше, чтобы достичь анода, напряжение которого настроено так, чтобы слегка отталкивать электроны. Ток электронов, достигающих анода, падает, как видно на графике. Дальнейшее увеличение напряжения в сети восстанавливает достаточно энергии электронам, пострадавшим от неупругих столкновений, чтобы они могли снова достичь анода. Ток снова возрастает, когда потенциал сети превышает 4,9 В. При 9,8 В ситуация снова меняется. Электроны, прошедшие примерно половину пути от катода к сетке, уже приобрели достаточно энергии, чтобы пережить первое неупругое столкновение. По мере того, как они медленно продвигаются к сетке от средней точки, их кинетическая энергия снова накапливается, но когда они достигают сетки, они могут подвергнуться второму неупругому столкновению. И снова ток на аноде падает. С интервалом 4,9 В этот процесс будет повторяться; каждый раз электроны будут испытывать еще одно неупругое столкновение. [16] [17]
Хотя Франк и Герц не знали об этом, когда опубликовали свои эксперименты в 1914 году, [19] в 1913 году Нильс Бор опубликовал модель атомов, которая очень успешно объясняла оптические свойства атомарного водорода. Обычно они наблюдались в газовых разрядах, которые излучали свет с различными длинами волн. Обычные источники света, такие как лампы накаливания, излучают свет на всех длинах волн. Бор очень точно рассчитал длины волн, излучаемые водородом. [20]
Фундаментальное предположение модели Бора касается возможных энергий связи электрона с ядром атома. Атом может быть ионизирован , если столкновение с другой частицей обеспечит хотя бы эту энергию связи. Это освобождает электрон от атома и оставляет после себя положительно заряженный ион. Есть аналогия со спутниками, вращающимися вокруг Земли. Каждый спутник имеет свою орбиту, и возможны практически любые орбитальные расстояния и любая энергия связи спутников. Поскольку электрон притягивается к положительному заряду атомного ядра аналогичной силой, так называемые «классические» расчеты предполагают, что для электронов также должна быть возможна любая энергия связи. Однако Бор предположил, что существует только определенный ряд энергий связи, которые соответствуют «квантовым уровням энергии» электрона. Электрон обычно находится на самом низком энергетическом уровне с наибольшей энергией связи. Дополнительные уровни лежат выше и имеют меньшую энергию связи. Промежуточные энергии связи, лежащие между этими уровнями, не допускаются. Это было революционное предположение. [6]
Франк и Герц предположили, что напряжение 4,9 В, характерное для их экспериментов, обусловлено ионизацией атомов ртути в результате столкновений с летящими электронами, испускаемыми на катоде. В 1915 году Бор опубликовал статью, в которой отметил, что измерения Франка и Герца более согласуются с предположением о квантовых уровнях в его собственной модели атомов. [21] В модели Бора столкновение возбуждает внутренний электрон внутри атома с самого низкого уровня на первый квантовый уровень над ним. Модель Бора также предсказала, что свет будет излучаться, когда внутренний электрон вернется со своего возбужденного квантового уровня на самый низкий; его длина волны соответствовала разности энергий внутренних уровней атома, получившей название соотношения Бора. [4] Наблюдение Франком и Герцем излучения из их трубки на длине волны 254 нм также соответствовало точке зрения Бора. Написав после окончания Первой мировой войны в 1918 году, Франк и Герц в значительной степени приняли точку зрения Бора для интерпретации своего эксперимента, который стал одним из экспериментальных столпов квантовой механики. [1] [3] Как описал это Абрахам Пайс: «Теперь красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потерь энергии E 2 - E 1 падающего электрона, но они также наблюдали, что, когда энергия Если энергия этого электрона превышает 4,9 эВ, ртуть начинает излучать ультрафиолетовый свет определенной частоты ν , определенной в приведенной выше формуле. Тем самым они дали (поначалу невольно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора!» [4] Сам Франк подчеркнул важность эксперимента по ультрафиолетовому излучению в эпилоге к фильму Комитета по физическим исследованиям (PSSC) 1960 года об эксперименте Франка-Герца. [19]
В учебных лабораториях эксперимент Франка-Герца часто проводится с использованием неонового газа , который показывает возникновение неупругих столкновений с видимым оранжевым свечением в вакуумной трубке, а также нетоксичен в случае поломки трубки. В случае ртутных трубок модель упругих и неупругих столкновений предсказывает, что между анодом и сеткой должны быть узкие полосы, в которых ртуть излучает свет, но свет ультрафиолетовый и невидимый. Для неона интервал напряжения Франка-Герца составляет 18,7 вольт, а при подаче напряжения 18,7 вольт возле сетки появляется оранжевое свечение. Это свечение будет приближаться к катоду с увеличением ускоряющего потенциала и указывает места, где электроны приобрели энергию 18,7 эВ, необходимую для возбуждения атома неона. При напряжении 37,4 В будут видны два отчетливых свечения: одно посередине между катодом и сеткой, а другое прямо у ускоряющей сетки. Более высокие потенциалы, расположенные с интервалом 18,7 В, приведут к появлению дополнительных светящихся областей в трубке.
Дополнительным преимуществом неона для учебных лабораторий является то, что трубку можно использовать при комнатной температуре. Однако длина волны видимого излучения намного длиннее, чем предсказывают соотношение Бора и интервал 18,7 В. Частичное объяснение оранжевого света связано с двумя атомными уровнями, расположенными на 16,6 эВ и 18,7 эВ выше самого низкого уровня. Электроны, возбужденные до уровня 18,7 эВ, падают до уровня 16,6 эВ с сопутствующим излучением оранжевого света. [22]
Наше понимание мира изменилось благодаря результатам этого эксперимента; возможно, это одна из важнейших основ экспериментального подтверждения квантовой природы материи.
Затем одна за другой появились две статьи Франка и Герца об измерениях испаренной ртути, которым предстояло вписать свои имена в историю физики. Первый доклад был представлен Густавом Герцем на заседании Немецкого физического общества 24 апреля 1914 года, второй — Джеймсом Франком 22 мая (стр. 45).Перевод Aufrecht im Sturm der Zeit: der Physiker Джеймс Франк, 1882–1964 . Verlag für Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik. 2007. ISBN 9783928186834. ОСЛК 234125038.
Красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потерь энергии E 2 - E 1 падающего электрона, но они также заметили, что, когда энергия этого электрона превышает 4,9 эВ, ртуть начинает излучать ультрафиолетовый свет. определенной частоты ν , как определено в приведенной выше формуле. Тем самым они дали (поначалу невольно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора!Частота ν связана с длиной волны света λ по формуле ν = c / λ , где c =2,99×10 8 метров в секунду — скорость света в вакууме.
В 1912 году молодой датчанин, работавший в лаборатории Резерфорда в Манчестере, предложил новую революционную модель атома. ... Что затрудняло веру в теорию Бора, так это идея дискретных и фиксированных состояний или орбит, при которых промежуточные состояния невозможны.
СМИ, связанные с экспериментом Франка и Герца, на Викискладе?