Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Положение меняется, когда энергия электрона достигает значения <^1=4,9 эВ1 или больше. Тогда электрон сможет затратить свою кинетическую энергию или часть ее на возбуждение атома ртути. В этом случае столкновения называются неупругими. Если при этом оставшейся кинетической энергии электрона окажется недостаточно, чтобы преодолеть задерживающий потенциал Vi, то электрон на коллектор Р не попадет, и с ростом напряжения V электронный ток I начнет убывать. При достижении энергии <%\ ток I не падает скачкообразно до нуля, так как не все скорости электронов одинаковы, хотя бы потому, что при вылете из нити получается тепловой разброс скоростей. Кроме того, для преодоления задерживающего поля имеет значение не полная скорость электрона, а только ее продольная составляющая, т. е. составляющая вдоль поля; поперечная составляющая роли не играет. А эта составляющая меняется при упругих столкновениях — сохраняется только полная скорость. Все это ведет к сглаживанию кривой I~I{V). Этим же объ-
ПОСТУЛАТЫ БОРА И ОПЫТ
83
ясняется, почему максимумы на кривой тока получаются не точно при энергии 8и достаточной для возбуждения атома, а при энергии несколько меньшей.
При дальнейшем возрастании ускоряющего напряжения электрон, оставшийся после упругого столкновения в ускоряющем поле, может вторично набрать энергию, достаточную для возбуждения первого энергетического уровня атома 8\. Если он снова претерпит неупругое столкновение и потеряет энергию, то при достаточно высоком потенциале V он может в третий раз ускориться до энергии, необходимой для возбуждения того же первого энергетического уровня атома, и т. д. В результате таких многократных возбуждений уровня 8\ на кривой I = I(V) и появляются максимумы вблизи значений энергии 8 и 28\, 38і и т. д. Наличие контактной разности потенциалов между катодом и сеткой искажает показания вольтметра V, смещая всю кривую I = I(V) вправо или влево. Однако контактная разность потенциалов исключается, если величину Si определять по расстоянию между соседними максимумами тока I = I(V), которое от нее не зависит.
4. Неупругое столкновение с возбуждением первого возбужденного уровня SI может и не произойти. Электрон может продолжать увеличивать свою энергию в электрическом поле, пока она не достигнет значения, достаточного для возбуждения второго энергетического уровня 82, третьего уровня S3 и т. д. Ускоряющие напряжения, соответствующие этим уровням энергии, называются потенциалами возбуждения или критическими потенциалами. Таким образом, в принципе на кривой I — I(V) вблизи критических потенциалов могут появиться новые максимумы. Однако в плотных газах этого фактически не происходит. Так было и в первых опытах Франка и Герца (при температуре, например, 210°С давление ртутных паров составляет 24 мм рт. ст.). Дело в том, что для накопления нужной энергии электрон без неупругих столкновений должен пройти в ускоряющем электрическом поле расстояние, большое по сравнению с длиной свободного пробега между двумя последовательными неупругими столкновениями. Это условие в случае плотных газов не выполняется. Возбуждение высших энергетических уровней 82, 83, ... возможно при более низком давлении газа и более совершенной аппаратуре (см. пункт 6).
5. Однако, незначительно изменив схему рис. 22, можно приспособить ее для измерения потенциалов ионизации атомов. Потенциал ионизации — это наименьшее ускоряющее напряжение, при котором атомы начинают ионизоваться и образовываются положительные ионы. Понятно, что для возможности ионизации электроны должны быть ускорены до энергии, не меньшей энергии ионизации атома. В случае ртути для этого температура печи должна быть невысокой, чтобы давление ртутных паров
84
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И СПЕКТРЫ АТОМА
[ГЛ. IT
составляло примерно 0,5 мм рт. ст. Схема рис. 22 сохраняется. Только теперь положительный полюс вольтметра V\ надо соединить с отрицательным, а не с положительным полюсом вольтметра V. Тогда всегда потенциал коллектора будет примерно на 0,5 В ниже потенциала катода, каково бы ни было значение ускоряющего сеточного напряжения. Благодаря этому электроны, испускаемые катодом, не смогут попадать на коллектор. Ток через гальванометр G не пойдет, пока нет положительных ионов, т. е. пока ускоряющий сеточный потенциал ниже потенциала ионизации. Как только ускоряющее сеточное напряжение достигнет потенциала ионизации, начнут образовываться положительные ионы — через гальванометр пойдет ток. Показание вольтметра V в этот момент и даст потенциал ионизации ртути. Конечно, в это показание должна быть введена поправка на контактную разность потенциалов между катодом и сеткой, которая находится из предыдущих измерений первого потенциала возбуждения ртути.
6. Чтобы повысить разрешающую способность прибора и наблюдать максимумы, соответствующие высшим энергетическим уровням ртути, можно воспользоваться прежней схемой, изображенной на рис. 22, но вместо одной взять две сетки, между которыми накладывается слабое ускоряющее напряжение порядка 0,1 В. Основное ускоряющее напряжение создается между катодом и первой сеткой, а тормозящее напряжение — между второй сеткой и коллектором. Этим достигается то преимущество, что создается большое пространство между сетками, почти свободное от поля. В таком пространстве электроны,
