Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
новений. С этим и связано повышение разрешающей способности прибора. Понятно, что давление газа в трубке должно быть невысоким (для ртутных паров порядка 5—6 мм рт. ст.). Таким путем у атома ртути обнаруживается второй потенциал возбуждения V = 6,7 В. Третий потенциал возбуждения V — 10,4 В является уже ионизационным.
Более совершенный и чувствительный метод измерения критических потенциалов был разработан Герцем. В этом методе электроны, вылетевшие ия катода К (рис. 25) и ускоренные потенциалом V, попадают в свободное от
Рис. 25
ускоренные до потенциала возбуждения или выше, главным образом и претерпевают не-упругие столкновения. Напротив, расстояние между катодом и ускоряющей сеткой должно быть невелико, чтобы между ними было относительно мало столк-
ПОСТУЛАТЫ БОРА И ОПЫТ
85
поля пространство, ограниченное цилиндрической сеткой, изображенной на рис. 25 пунктиром (меридиональный разрез). Там происходят их столкновения с атомами газа. При упругих столкновениях электроны, не теряя энер гии, отклоняются и могут вылетать через боковую поверхность сетки в слабое задерживающее поле, создаваемое потенциалом Vt & 0,1 В, наложенным между сеткой и окружающим ее собирающим электродом Р (коллектором). Энергия электронов достаточна, чтобы преодолеть и попасть на Р. Если же при увеличении ускоряющего напряжения V появятся неупругие столкновения, то после столкновения энергия электрона может оказаться недостаточной, чтобы преодолеть задерживающее поле и попасть на коллектор Р. Ток на коллектор Р измеряется гальванометром G Измерения производятся при двух близких значениях задерживающего потенциала: Vt = 0 и, например, Vt = = 0,1 В.
Пока столкновения упругие, показания гальванометра в обоих случаях практически одинаковы. Если же ускоряющее напряжение V достигает значения одного из критических потенциалов, то появляются неупругие столкновения, и во втором случае (т. е. при = 0,1 В) ток в гальванометре G резко падает. Разность показаний гальванометра при 1Л = 0 и Vt = 0,1 В может служить мерой для числа электронов, вылетевших из сетки с энергией меньше
0,1 эВ, т. е. для числа электронов, испытавших неупругие столкновения в окрестности рассматриваемого критического потенциала. Так как электроны сталкиваются с атомами там, где электрического поля нет, то после столкновения они не могут вновь набрать энергию, достаточную для возбуждения атома. По этой причине на кривой I = I ( V) уже не появятся равноотстоящие максимумы, соответствующие одному и тому же критическому потенциалу. Кратного повторения таких максимумов, как было раньше, не произойдет. Непосредственное исключение контактной разности потенциалов окажется невозможным. Однако контактную разность потенциалов можно найти и затем учесть ее влияние, если известно значение хотя бы одного критического потенциала. Можно также воспользоваться смесью двух газов, для одного из которых критические потенциалы известны.
7. Опыты Франка и Герца подтверждают также и второй постулат Бора, т. е. правило частот. Оказывается, что при уско ряющем напряжении меньше первого критического потенциала «4,9 В пары ртути не светятся. В этом случае нет возбужден ных атомов ртути, а следовательно, и их переходов в певоз-бужденное состояние. При повышении ускоряющего напряжение примерно до 4,9 В появляются первые возбужденные атомы При переходах их в нормальное состояние должно появиться свечение. И действительно, в этом случае наблюдается свечение, состоящее из одной резонансной ультрафиолетовой линии к — = 253,7 нм.
Конечно, для наблюдения этого свечения стеклянный баллон, в котором находятся пары ртути и остальная аппаратура, не годится, так как стекло непрозрачно для ультрафиолетовых лучей. Не годится и стеклянная оптика для исследования спектрального состава излучения. Подходящими материалами могут быть кварц или флюорит, прозрачные соответственно приблизительно до 180 и 120 нм.
По длине волны линии X = 253,7 нм можно вычислить и первый критический потенциал ртути, и притом значительно точнее, чем по максимумам на кривой I = 1(V), получаемой в опытах Франка и Герца. Для этой цели можно воспользоваться
86
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И СПЕКТРЫ АТОМА
[ГЛ. II
формулой
— <§ і — eV = hv = hc/X.
Подстановка в нее численных значений дает
, 1240
' V(B)
нм.
(14.1)
Л
Полагая в этой формуле X = 253,7 нм, найдем V = 4,887 В, что хорошо согласуется со значением 4,9 В, полученным в опытах Франка и Герца.
При более совершенной методике эксперимента у атомов ртути обнаруживается второй критический потенциал V = 6,7 В. При этом при переходе в основное состояние появляется излучение с длиной волны X = 184,9 нм. Этой спектральной линии по формуле (14.1) соответствует V = 6,705 В, что также находится в превосходном согласии с опытом. Третий критический потенциал ртути 10,4 В является уже ионизационным. Следовательно, при V > 10,4 В должны происходить переходы из несвязанных состояний на все нижележащие энергетические уровни. И действительно, опыт показал, что при этом возбуждается полный атомный спектр ртути.
