6.2.4. Экспериментальное обоснование идеи квантования (дискретности) состояний атома (опыт Франка и Герца).

6.2.4. Экспериментальное обоснование идеи квантования (дискретности) состояний атома (опыт Франка и Герца).

С. КОФ, т.3, §21 с89-91, 1989г.; Тр. §211 с.337-338, 1990г.; Д.Я. §38.5 с.452-454, 1989г.

Существование дискретных энергетических уровней атома подтвердили опыты, осуществлённые в 1914 году немецкими физиками Д.Франком и Г.Герцем (Густав Герц - племянник Генриха Герца).

Рис.5

Рис.4

Принципиальная схема их экспериментальной установки пред-ставлена на рис.4. Вакуумная трубка, заполненная парами ртути при низком давлении ~13 Па, содержит катод К, анод А и две сетки С₁ и С₂. Катод разогревается автономно с помощью батареи. Электроны, эмитированные катодом, ускоряются разностью потенциалов, приложенной между катодом К и сеткой С₁. Между сеткой С₂ и анодом А приложено небольшое ~0,5В задерживающее напряжение. Электроны, ускоренные в области 1, попадают в область 2 между сетками С₁ и С₂, где испытывают соударения с атомами паров ртути. При этом, если их энергия достаточна для преодоления задерживающего напряжения между сеткой С₂ и анодом А в области 3, то они достигнут анода, создавая в анодной цепи электрический ток. Экспериментальная зависимость силы анодного тока от напряжения между катодом К и сеткой С₁ имеет вид равноотстоящих друг от друга пиков (анодно-сеточная характеристика представлена на рис.5). При увеличении ускоряющего напряжения от нуля до 4,86В анодный ток возрастает монотонно, затем достигнув максимума при U₁ =4,86В, резко уменьшается, а затем опять возрастает до напряжения U₂ =2^.4,86=9,72В и опять резко падает. Следующий пик наблюдается при U₃ =3^.4,86=14,58В.

Этот опыт объясняется следующим образом. Возбуждённые состояния атомов ртути отстоят от основного невозбуждённого состояния по шкале энергий на 4,86эВ, 9,72эВ, 14,58эВ. До тех пор, пока электроны имеют энергию меньшую, чем 4,86эВ, их соударения с атомами ртути являются упругими, при этом они не теряют энергию и достигают анода, ток растёт монотонно. И только, когда энергия электронов достигнет 4,86эВ, атомы ртути смогут при столкновении с ними поглотить эту энергию и перейти в первое возбуждённое состояние. Происходят их неупругие столкновения, и количество электронов, способных преодолеть потенциальный барьер в области 3 и достичь анода, резко сокращается. Электрический ток так же резко уменьшается. При дальнейшем увеличении ускоряющего напряжения энергии электронов становится достаточно для перевода атомов ртути во второе, а затем и третье возбуждённое состояние. При соответствующих напряжениях наблюдается резкое уменьшение анодного тока.

Опыт Франка и Герца показал, что электроны при столкновениях с атомами ртути могут передать им энергию, а атомы ртути могут поглотить энергию только определёнными порциями - квантами. Потенциал, кратный j=4,86В, является потенциалом возбуждения атомов ртути.

Атомы ртути, поглотив квант энергии DW=4,86эВ, переходит в возбуждённое состояние, которое является неустойчивым. Возвращаясь в исходное основное состояние атомы излучают тот же квант энергии в виде фотона с частотой n=DW/h или длиной волны l=hc/DW»0,255мкм. Экспериментально, действительно, обнаруживается одна спектральная линия в ультрафиолетовой области с l»0,254мкм. Таким образом, опыт Франка и Герца подтвердил постулаты Бора и явился важным этапом в развитии квантовой физики.

6.2.5. Принцип соответствия. Затруднения теории Бора.

С. КОФ, т.3, §21 с93, 1989г.; Тр. §212 с.340, 1990г.; Д.Я. §38.5 с.453-454, 1989г.

Квантовая физика с самого начала её создания, в отличие от всех новых теорий, создававшихся в прежние времена, строилась по новому принципу - она не отвергала классическую физику, а лишь устанавливала пределы её применения и делала новые открытия за этими пределами. Такой подход был чётко сформулирован Нильсом Бором в 1923 году в так называемом принципе соответствия:

любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую применимость, чем старая, должна включать последнюю как предельный случай.

Например, при больших квантовых числах n дискретность энергетических уровней становится незаметной, и можно перейти к классическому описанию. Принцип соответствия применяется не только в квантовой механике. Он имеет общефизический и философский характер. Какая бы новая теоретическая схема не создавалась, принцип соответствия войдёт в неё составной частью.

Теория Бора сыграла огромную роль в создании квантовой механики, в развитии атомной физики, особенно в атомной спектроскопии.

Однако, эта теория обладает внутренними противоречиями. С одной стороны, она применяет законы классической физики, а с другой - основывается на квантовых постулатах. Теория Бора позволила описать спектры излучения водородоподобных систем, однако, не могла объяснить интенсивность спектральных линий, не могла объяснить причину тех или иных квантовых переходов атомов. Серьёзным недостатком теории Бора явилась невозможность описания с её помощью спектра излучения атомов гелия - одного из простейших атомов, непосредственно следующим за атомом водорода.

Теория Бора, правильно объяснившая одни экспериментальные факты и неспособная истолковать другие, представляла собой лишь переходный этап от классической физики к квантовой (волновой) механике.

Дата добавления: 2015-08-28