stringtranslate.com

Эксперимент Франка-Герца

Фотография герметичного стеклянного цилиндра. Провода пронизывают цилиндр сверху, снизу и сбоку. Три провода ведут к катодному узлу; верхний и боковой провода ведут к диску и сетке, которые расположены близко и параллельно друг другу. Провода прикреплены к проходным отверстиям на алюминиевой панели на заднем плане.
Фотография вакуумной трубки, используемой для эксперимента Франка-Герца в учебных лабораториях. Внутри трубки находится капля ртути, хотя на фотографии ее не видно. C – катодный узел; сам катод горячий и светится оранжевым цветом. Он испускает электроны, которые проходят через металлическую сетку (G) и собираются в виде электрического тока анодом (A).

Эксперимент Франка-Герца был первым электрическим измерением, ясно показавшим квантовую природу атомов . Он был представлен 24 апреля 1914 года Немецкому физическому обществу в докладе Джеймса Франка и Густава Герца . [1] [2] Франк и Герц сконструировали вакуумную трубку для изучения энергичных электронов , которые пролетали через тонкий пар атомов ртути . Они обнаружили, что при столкновении электрона с атомом ртути он мог потерять только определенное количество (4,9 электрон-вольта ) своей кинетической энергии, прежде чем улететь. [3] Эта потеря энергии соответствует замедлению электрона со скорости около 1,3 миллиона метров в секунду до нуля. [4] Более быстрый электрон не замедляется полностью после столкновения, но теряет точно такое же количество своей кинетической энергии. Более медленные электроны просто отскакивают от атомов ртути, не теряя при этом значительной скорости или кинетической энергии.

Эти экспериментальные результаты оказались согласующимися с моделью Бора для атомов , предложенной годом ранее Нильсом Бором . Модель Бора была предшественником квантовой механики и модели электронной оболочки атомов. Ее ключевой особенностью было то, что электрон внутри атома занимает один из «квантовых энергетических уровней» атома. До столкновения электрон внутри атома ртути занимает свой самый низкий доступный энергетический уровень. После столкновения электрон внутри занимает более высокий энергетический уровень с энергией на 4,9 электронвольта (эВ) больше. Это означает, что электрон более слабо связан с атомом ртути. В квантовой модели Бора не было никаких промежуточных уровней или возможностей. Эта особенность была «революционной», потому что она не соответствовала ожиданию, что электрон может быть связан с ядром атома любым количеством энергии. [3] [5]

Во второй статье, представленной в мае 1914 года, Франк и Герц сообщили об излучении света атомами ртути, которые поглотили энергию от столкновений. [6] Они показали, что длина волны этого ультрафиолетового света точно соответствует 4,9 эВ энергии, которую потерял летящий электрон. Соотношение энергии и длины волны также было предсказано Бором, поскольку он следовал структуре, изложенной Хендриком Лоренцом на Сольвеевском конгрессе 1911 года. В Сольвее Хендрик Лоренц предложил после доклада Эйнштейна о квантовой структуре, чтобы энергия ротатора была равна nhv . [7] [8] Поэтому Бор следовал инструкциям, данным в 1911 году, и скопировал формулу, предложенную Лоренцем и другими, в свою атомную модель 1913 года . [9] Лоренц был прав. Квантование атомов соответствовало его формуле, включенной в модель Бора. [3] Говорят , что после презентации этих результатов Франком несколько лет спустя Альберт Эйнштейн заметил: «Это так прекрасно, что заставляет плакать». [10]

10 декабря 1926 года Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике 1925 года «за открытие законов, управляющих ударом электрона об атом». [11]

Эксперимент

График. Вертикальная ось обозначена как «ток» и имеет диапазон от 0 до 300 в условных единицах. Горизонтальная ось обозначена как «напряжение» и имеет диапазон от 0 до 15 вольт. Кривая описана в тексте статьи.
Ток анода (условные единицы) против напряжения сетки (относительно катода). Этот график основан на оригинальной статье Франка и Герца 1914 года. [1]

В оригинальном 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 (около одной тысячной атмосферного давления). [1] [12] Современная трубка Франка-Герца показана на фотографии. Она оснащена тремя электродами: испускающим электроны горячим катодом ; металлической сеткой ; и анодом . Напряжение сетки положительно относительно катода, так что электроны, испускаемые горячим катодом, притягиваются к нему. Электрический ток, измеренный в эксперименте, обусловлен электронами, которые проходят через сетку и достигают анода. Электрический потенциал анода слегка отрицателен относительно сетки, так что электроны, которые достигают анода, имеют по крайней мере соответствующее количество кинетической энергии после прохождения сетки. [13]

Длины волн света, излучаемого разрядом в парах ртути и трубкой Франка-Герца при работе при 10 В. Трубка Франка-Герца в основном излучает свет с длиной волны около 254 нанометров; разряд излучает свет на многих длинах волн. Основано на оригинальном рисунке 1914 года. [6]

Графики, опубликованные Франком и Герцем (см. рисунок), показывают зависимость электрического тока, вытекающего из анода, от электрического потенциала между сеткой и катодом.

Франк и Герц отметили в своей первой статье, что характерная энергия 4,9 эВ их эксперимента хорошо соответствовала одной из длин волн света, излучаемого атомами ртути в газовых разрядах . Они использовали квантовое соотношение между энергией возбуждения и соответствующей длиной волны света, которое они в целом приписали Иоганнесу Штарку и Арнольду Зоммерфельду ; оно предсказывает, что 4,9 эВ соответствует свету с длиной волны 254 нм. [1] 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 из своих трубок, которые излучали свет с одной заметной длиной волны 254 нм. [6] На рисунке справа показан спектр трубки Франка-Герца; почти весь излучаемый свет имеет одну длину волны. Для справки, на рисунке также показан спектр для 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]

Моделирование столкновений электронов с атомами

Рисунок, показывающий три круга, каждый с меткой "Hg" внутри. Верхний круг помечен как "упругое столкновение". Он находится рядом с двумя стрелками одинаковой длины, одна из которых направлена ​​к кругу, а другая — от него. Средний круг помечен как "неупругое столкновение" и имеет более длинную стрелку, направленную к нему, и более короткую стрелку, направленную от него. Нижний круг помечен как "излучение света" и находится рядом с волнистой стрелкой, направленной от него.
Упругие и неупругие столкновения электронов с атомами ртути. Электроны, движущиеся медленно, меняют направление после упругих столкновений, но не меняют своей скорости. Более быстрые электроны теряют большую часть своей скорости при неупругих столкновениях. Потерянная кинетическая энергия откладывается в атоме ртути. Затем атом излучает свет и возвращается в исходное состояние.

Франк и Герц объяснили свой эксперимент в терминах упругих и неупругих столкновений электронов с атомами ртути. [1] [2] Медленно движущиеся электроны упруго сталкиваются с атомами ртути. Это означает, что направление, в котором движется электрон, изменяется при столкновении, но его скорость остается неизменной. Упругое столкновение показано на рисунке, где длина стрелки указывает на скорость электрона. Атом ртути не затронут столкновением, в основном потому, что он примерно в четыреста тысяч раз массивнее электрона. [16] [17]

Когда скорость электрона превышает примерно 1,3 миллиона метров в секунду, [4] столкновения с атомом ртути становятся неупругими. Эта скорость соответствует кинетической энергии 4,9 эВ, которая вкладывается в атом ртути. Как показано на рисунке, скорость электрона уменьшается, и атом ртути становится «возбужденным». Через короткое время 4,9 эВ энергии, которая была вложена в атом ртути, высвобождаются в виде ультрафиолетового света, длина волны которого составляет ровно 254 нм. После испускания света атом ртути возвращается в свое исходное, невозбужденное состояние. [16] [17]

Если бы электроны, испускаемые катодом, свободно летели до тех пор, пока не достигли сетки, они приобрели бы кинетическую энергию, пропорциональную напряжению, приложенному к сетке. 1 эВ кинетической энергии соответствует разнице потенциалов в 1 вольт между сеткой и катодом. [18] Упругие столкновения с атомами ртути увеличивают время, необходимое электрону для достижения сетки, но средняя кинетическая энергия электронов, прибывающих туда, не сильно изменяется. [17]

Когда напряжение сетки достигает 4,9 В, столкновения электронов вблизи сетки становятся неупругими, и электроны сильно замедляются. Кинетическая энергия типичного электрона, прибывающего на сетку, уменьшается настолько, что он не может двигаться дальше, чтобы достичь анода, напряжение которого установлено так, чтобы слегка отталкивать электроны. Ток электронов, достигающих анода, падает, как видно на графике. Дальнейшее увеличение напряжения сетки восстанавливает достаточно энергии электронам, претерпевшим неупругие столкновения, чтобы они снова могли достичь анода. Ток снова возрастает, когда потенциал сетки превышает 4,9 В. При 9,8 В ситуация снова меняется. Электроны, прошедшие примерно половину пути от катода до сетки, уже приобрели достаточно энергии, чтобы претерпеть первое неупругое столкновение. По мере того, как они продолжают медленно двигаться к сетке от средней точки, их кинетическая энергия снова нарастает, но по достижении сетки они могут претерпеть второе неупругое столкновение. И снова ток к аноду падает. С интервалом в 4,9 вольт этот процесс будет повторяться; каждый раз электроны будут подвергаться одному дополнительному неупругому столкновению. [16] [17]

Ранняя квантовая теория

Рисунок имеет широкий прямоугольник в верхней части, обозначенный как «вакуумные уровни». Под прямоугольником и слева находится вертикальная стрелка, которая заканчивается на прямоугольнике; стрелка обозначена как «энергия связи электрона». В середине находится длинный ряд тонко разделенных линий, которые параллельны нижней части прямоугольника; они обозначены как «классические уровни энергии». Справа находится ряд из четырех хорошо разделенных параллельных линий; они обозначены как «квантовые уровни энергии».
Модель атома Бора предполагала, что электрон может быть связан с атомным ядром только с одной из серии определенных энергий, соответствующих квантовым уровням энергии. Ранее классические модели связывания частиц допускали любую энергию связи.

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 была очень успешной в объяснении оптических свойств атомарного водорода. Они обычно наблюдались в газовых разрядах, которые излучали свет на ряде длин волн. Обычные источники света, такие как лампы накаливания, излучают свет на всех длинах волн. Бор очень точно рассчитал длины волн, излучаемых водородом. [20]

Основное предположение модели Бора касается возможных энергий связи электрона с ядром атома. Атом может быть ионизирован , если столкновение с другой частицей снабдит его по крайней мере этой энергией связи. Это освобождает электрон от атома и оставляет положительно заряженный ион. Существует аналогия со спутниками, вращающимися вокруг Земли. Каждый спутник имеет свою собственную орбиту, и практически любое орбитальное расстояние и любая энергия связи спутника возможны. Поскольку электрон притягивается к положительному заряду атомного ядра аналогичной силой, так называемые «классические» расчеты предполагают, что любая энергия связи также должна быть возможна для электронов. Однако Бор предполагал, что существует только определенный ряд энергий связи, которые соответствуют «квантовым уровням энергии» для электрона. Электрон обычно находится на самом низком энергетическом уровне с самой большой энергией связи. Дополнительные уровни лежат выше, с меньшими энергиями связи. Промежуточные энергии связи, лежащие между этими уровнями, не допускаются. Это было революционное предположение. [5]

Франк и Герц предположили, что характеристика 4,9 В в их экспериментах была обусловлена ​​ионизацией атомов ртути при столкновениях с летящими электронами, испускаемыми на катоде. В 1915 году Бор опубликовал статью, в которой отметил, что измерения Франка и Герца больше соответствовали предположению о квантовых уровнях в его собственной модели атомов. [21] В модели Бора столкновение возбуждало внутренний электрон внутри атома с его самого низкого уровня на первый квантовый уровень над ним. Модель Бора также предсказывала, что свет будет испускаться, когда внутренний электрон возвращается со своего возбужденного квантового уровня на самый низкий; его длина волны соответствовала разнице энергий внутренних уровней атома, которая была названа соотношением Бора. [3] Наблюдение Франка и Герца за излучением из их трубки при 254 нм также соответствовало перспективе Бора. После окончания Первой мировой войны в 1918 году Франк и Герц в значительной степени приняли перспективу Бора для интерпретации своего эксперимента, который стал одним из экспериментальных столпов квантовой механики. [10] [2] Как описал это Авраам Пайс: «Теперь красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потери энергии E 2 - E 1 падающего электрона, но они также наблюдали, 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 (сначала непреднамеренно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора!» [3] Сам Франк подчеркнул важность эксперимента по ультрафиолетовому излучению в эпилоге к фильму Комитета по изучению физических наук (PSSC) 1960 года об эксперименте Франка-Герца. [19]

Эксперимент с неоном

Эксперимент Франка-Герца с неоном, в результате которого появляются светящиеся области

В учебных лабораториях эксперимент Франка-Герца часто проводится с использованием неонового газа , который показывает начало неупругих столкновений с видимым оранжевым свечением в вакуумной трубке, и который также нетоксичен, если трубка будет разбита. В ртутных трубках модель для упругих и неупругих столкновений предсказывает, что должны быть узкие полосы между анодом и сеткой, где ртуть излучает свет, но свет ультрафиолетовый и невидимый. В неоне интервал напряжения Франка-Герца составляет 18,7 вольт, и оранжевое свечение появляется около сетки, когда подается 18,7 вольт. Это свечение будет перемещаться ближе к катоду с увеличением ускоряющего потенциала и указывать места, где электроны приобрели 18,7 эВ, необходимые для возбуждения атома неона. При 37,4 вольт будут видны два отдельных свечения: одно посередине между катодом и сеткой и одно прямо на ускоряющей сетке. Более высокие потенциалы, расположенные с интервалом 18,7 вольт, 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 больше, чем предсказывает соотношение Бора и интервал 18,7 В. Частичное объяснение оранжевого света включает два атомных уровня, лежащих на 16,6 эВ и 18,7 эВ выше самого низкого уровня. Электроны, возбужденные до уровня 18,7 эВ, попадают на уровень 16,6 эВ с сопутствующим оранжевым излучением света. [22]

Ссылки

  1. ^ abcde Франк, Дж.; Герц, Г. (1914). «Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben» [О столкновениях между электронами и молекулами паров ртути и их потенциале ионизации] (PDF) . Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на немецком языке). 16 : 457–467. Архивировано из оригинала (PDF) 2 февраля 2017 г. Проверено 21 января 2017 г.Перевод этой статьи дан в Boorse, Henry A.; Motz, Lloyd (1966). "46. The Quantum Theory is Tested". The World of the Atom . Vol. 1. Basic Books. pp. 766–778. OCLC  534667.В своих первых работах Франк и Герц интерпретировали потенциал 4,9 В, связанный с неупругими столкновениями электронов с ртутью, как показатель потенциала ионизации ртути. Связь с моделью атомов Бора возникла несколько позже.
  2. ^ abc Lemmerich, Jost (2011). Наука и совесть: жизнь Джеймса Франка. Перевод Энн Хентшель. Stanford University Press. С. 45–50. ISBN 9780804779098. Затем две статьи Франка и Герца об измерениях испаряемой ртути, которые должны были вписать свои имена в списки истории физики, появились в быстрой последовательности. Первая статья была представлена ​​Густавом Герцем на заседании Немецкого физического общества 24 апреля 1914 года, вторая — 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. OCLC  234125038.
  3. ^ abcde Pais, Abraham (1995). "Введение в атомы и их ядра". В Brown, Laurie M. ; Pais, Abraham; Pippard, Brian (ред.). Физика двадцатого века . Том 1. Издательство Американского института физики. стр. 89. ISBN 9780750303101. Теперь красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потери энергии E 2 - E 1 падающего электрона, но они также наблюдали, что когда энергия этого электрона превышает 4,9 эВ, ртуть начинает испускать ультрафиолетовый свет определенной частоты ν, как определено в приведенной выше формуле. Тем самым они дали (сначала непреднамеренно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора!Частота ν связана с длиной волны света λ формулой ν = c / λ , где c =2,99 × 10 8  м/с — скорость света в вакууме.
  4. ^ ab Для преобразования электрон-вольт в скорость электронов см. «Скорость электронов». Практическая физика . Nuffield Foundation . Получено 2014-04-18 .
  5. ^ ab Cohen, I. Bernard (1985). Революция в науке . Belknap Press. стр. 427–428. ISBN 9780674767775. В 1912 году молодой датчанин, работавший в лаборатории Резерфорда в Манчестере, предложил революционно новую модель атома. ... Трудно было поверить в теорию Бора из-за идеи дискретных и фиксированных состояний или орбит, при этом промежуточные состояния были невозможны.
  6. ^ abc Франк, Дж.; Герц, Г. (1914). «Über die Erregung der Quecksilberresonanzlinie 253,6 µμ durch Elektronenstöße» [О возбуждении резонансных линий ртути на длине волны 253,6 нм электронными столкновениями]. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на немецком языке). 16 : 512–517.Символ μμ — устаревшее и редкое использование для обозначения нанометра . Эта статья была перепечатана Франком, Джеймсом; Герц, Густав; Германн, Армин [на немецком языке] (1967). Die Elektronenstoßversuche . Мюнхен: Э. Баттенберг. ОСЛК  9956175.
  7. ^ Оригинальные материалы Сольвеевской конференции 1911 года, опубликованные в 1912 году. THÉORIE DU RAYONNEMENT ET LES QUANTA. ДОКЛАДЫ И ДИСКУССИИ DELA Réunion в Брюсселе, с 30 октября по 3 ноября 1911 года, Sous les Auspices dk ME SOLVAY. Публикации по ММ. П. ЛАНЖЕВЕН и М. де БРОЛЬЕ. Перевод с французского, с. 447.
  8. ^ Хейлброн, Джон Л. и Томас С. Кун. «Происхождение атома Бора». Исторические исследования в области физических наук, т. 1, Издательство Калифорнийского университета, 1969, стр. vi–290, стр. 244 doi :10.2307/27757291.
  9. ^ См . модель Бора .
  10. ^ ab Райс, Стюарт А .; Джортнер, Джошуа (2010). «Джеймс Франк 1882–1964: Биографические мемуары». Национальная академия наук (США). стр. 6. Наше понимание мира было преобразовано результатами этого эксперимента; это, возможно, одна из важнейших основ экспериментальной проверки квантовой природы материи.
  11. ↑ Oseen, CW (10 декабря 1926 г.). «Нобелевская премия по физике 1925 г. – Речь на вручении». Нобелевский фонд.
  12. ^ Huber, Marcia L.; Laesecke, Arno; Friend, Daniel G. (апрель 2006 г.). "Давление паров ртути" (PDF) . Национальный институт стандартов. стр. 5. Архивировано из оригинала (PDF) 24.12.2016 . Получено 08.04.2014 .НИСТИР 6643.
  13. ^ ab Brandt, Siegmund (2008). "25. Эксперимент Франка Герца (1914)". Урожай века: открытия современной физики в 100 эпизодах . Oxford University Press. стр. 272. ISBN 9780191580123.
  14. ^ Торнтон, Стивен; Рекс, Эндрю (2012). Современная физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Cengage Learning. стр. 154–156. ISBN 9781133103721.
  15. ^ Пайс, Авраам (1982). Тонкий Господь: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Oxford University Press. стр. 381. ISBN 9780191524028.Энергия E фотона равна произведению постоянной Планка h и отношения c / λ скорости света c и длины волны λ .
  16. ^ abc Мелиссинос, Адриан Константин; Наполитано, Джим (2003). "1.3 Эксперимент Франка–Герца". Эксперименты в современной физике . Gulf Professional Publishing. стр. 10–19. ISBN 9780124898516.Эта ссылка неверно предполагает, что Франк и Герц знали о модели Бора, когда публиковали свои эксперименты. Сам Франк заметил об этом в интервью в конце своей жизни; см. Holton, Gerald (1961). "On the recent past of physics". American Journal of Physics . 61 (12): 805–810. Bibcode :1961AmJPh..29..805H. doi : 10.1119/1.1937623 .
  17. ^ abcd Демтрёдер, Вольфганг (2010). "3.4.4 Эксперимент Франка–Герца". Атомы, молекулы и фотоны: введение в атомную, молекулярную и квантовую физику . Springer. стр. 118–120. ISBN 9783642102981.
  18. ^ В своем оригинальном эксперименте Франк и Герц использовали платину как для катода, так и для сетки. Когда для электродов используются разные материалы, появляется дополнительный вклад в кинетическую энергию помимо приложенного извне напряжения. См. Thornton, Stephen; Rex, Andrew (2012). Modern Physics for Scientists and Engineers (4-е изд.). Cengage Learning. стр. 154–156. ISBN 9781133103721.
  19. ^ ab В 1960 году Франк объяснил, что он и Герц не знали об идеях Бора, когда были представлены их две статьи 1914 года. Франк дал свои замечания в качестве эпилога к фильму об эксперименте Франка–Герца от Комитета по изучению физических наук (1960). Фильм доступен в Интернете; см. Байрон Л. Йотц (рассказчик); Джеймс Франк (эпилог); Джек Черчилль (режиссер) (1960). Эксперимент Франка–Герца (пленка 16 мм). Образовательные услуги. 25 минут. OCLC  4949442 . Получено 01.07.2014 .. Стенограмма эпилога была опубликована вскоре после того, как фильм был снят; см. Холтон, Джеральд (1961). «О недавнем прошлом физики». Американский журнал физики . 61 (12): 805–810. Bibcode : 1961AmJPh..29..805H. doi : 10.1119/1.1937623 .
  20. ^ Heilbron, John L. (1985). "Bohr's First Theories of the Atom" . На французском языке, AP ; Kennedy, PJ (ред.). Niels Bohr: A Centenary Volume . Кембридж, Массачусетс: Harvard University Press. стр. 33–49. ISBN 9780674624160. OCLC  12051112.
  21. ^ Краг, Хельге (2012). Нильс Бор и квантовый атом: модель атомной структуры Бора 1913-1925. Oxford University Press. стр. 144. ISBN 9780191630460.Краг цитирует предложение из одной из статей Бора 1915 года, в которой он обсуждает статьи Франка и Герца 1914 года: «По-видимому, их эксперимент, возможно, согласуется с предположением, что это напряжение (4,9 В) соответствует только переходу из нормального состояния в какое-то другое стационарное состояние нейтрального атома».
  22. ^ Csele, Mark (2011). "2.6 Эксперимент Франка–Герца". Основы источников света и лазеров . John Wiley & Sons. стр. 31–36. ISBN 9780471675228.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки