В середине XX века немецкие физики Йоханн Вильгельм Георг Франк и Густав Людвиг Герц провели серию экспериментов, которые вошли в историю физики под названием «Опыт Франка и Герца». Целью их исследования было экспериментальное подтверждение теории энергетических уровней атома. Это важное открытие проложило путь для развития квантовой физики и явилось одной из основ фундаментальных принципов современной науки.
Опыт Франка и Герца, проведенный в 1914 году, заключался в пропускании электронного пучка через разреженный газ. Франк и Герц использовали лампу с отрицательным электродом и анодом, между которыми находилась трубка с газом. При подаче напряжения на лампу электроны начинали двигаться из катода к аноду через газ. Когда электроны сталкивались с атомами газа, они ускорялись и сталкивались с электродом. Франк и Герц измеряли зависимость разности потенциалов между анодом и катодом от напряжения на лампе.
Результаты опытов Франка и Герца показали, что потенциал между анодом и катодом не увеличивается плавно, а изменяется ступенчато. Это обстоятельство говорило о том, что электроны имеют определенные энергетические уровни, на которых они могут существовать в атоме. Когда энергия электрона становилась выше определенного уровня, он мог преодолеть энергетический барьер и дойти до анода.
Физический эксперимент Франка и Герца
Физический эксперимент Франка и Герца был проведен в 1914 году Германией физиками Хайнрихом Франком и Густавом Герцем.
Целью эксперимента было подтвердить существование энергетических уровней в атомах и изучить процессы взаимодействия электронов с атомами газа.
Экспериментальная установка включала в себя вакуумированную трубку с образцом газа и электродами, между которыми подавалось напряжение. Положительный электрод состоял из нескольких коллекторов, расположенных на разной высоте. Отрицательный электрод был расположен вдоль трубки.
Газ, находящийся в трубке, под действием подаваемого напряжения ионизировался, и электроны ускорялись в сторону положительного электрода. Столкновения электронов с атомами газа приводили к потере их энергии, которая и регистрировалась с помощью коллекторов на положительном электроде.
С помощью эксперимента было получено следующее основное открытие — электроны теряют энергию только при столкновении с атомами, которая может быть от 4,9 эВ до 13,6 эВ при измерении столкновений с атомами водорода.
Эксперимент Франка и Герца подтвердил существование дискретных энергетических уровней, что послужило важным шагом в развитии квантовой физики и открытию атомной структуры.
| Величина напряжения (В) | Столкновений электронов на атоме в газе | Величина энергии (эВ) |
|---|---|---|
| 0-4,9 | нет столкновений | 0 |
| 4,9-13,6 | еле столкновения регистрируются | потеря энергии |
| 13,6 | полное отсчетное число столкновений | нет потери энергии |
История и цель эксперимента
Закон Фотоэффекта, открытый Альбертом Эйнштейном в 1905 году, стал значимым открытием в области физики и важным этапом в развитии квантовой теории. Однако, механизм и свойства светочувствительной пластины и вторичных электронов, вылетающих при столкновении с атомами, оставались неизвестными.
Эксперимент Франка и Герца, проведенный в 1914 году, является одним из важных этапов в истории изучения электронной структуры вещества и подтверждает гипотезу о существовании дискретных энергетических уровней атомов. Целью эксперимента было исследование взаимодействия электронов с атомами газа и определение зависимости энергии от кинетической энергии электронов.
Внимание ученых было сосредоточено на пластинах металла, покрытых слоем газа, через которые проходили электроны. Последние сталкивались с атомами газа и, при достижении определенной кинетической энергии, теряли часть своей энергии. Это приводило к изменению их скорости, которое можно было заметить с помощью амперметра, подключенного к электродам.
Исследования Франка и Герца позволили установить, что энергия электронов передается веществу порциями и что поглощение энергии атомами происходит только при наличии минимального значения кинетической энергии электронов. Полученные результаты эксперимента подтвердили корпускулярно-волновую природу электронов и стали основой для дальнейших исследований в области квантовой механики.
Оборудование и методика исследования
Для проведения опыта Франка и Герца использовались следующие компоненты и приборы:
- Вакуумная камера. В ней размещались электроды и исследуемый газ.
- Электроды. Для генерации электронов использовались нагреваемые катоды, а для ионизации газа — аноды.
- Источник постоянного напряжения. Он обеспечивал потенциал разгона для электронов.
- Амперметр. Использовался для измерения тока, протекающего через газ.
- Вольтметр. Для измерения разности потенциалов используется в цепи с анодом.
Методика исследования состояла из следующих шагов:
- Устанавливалось необходимое значение потенциала разгона.
- Исследователь изменял давление газа внутри камеры и фиксировал соответствующие значения тока и разности потенциалов.
- Проводилось несколько серий измерений при разных значениях потенциала разгона и давлении газа.
- На основе полученных данных строились графики зависимости тока от разности потенциалов для каждого давления газа.
- По полученным графикам определялись энергии возбуждения ионизации газа.
Результаты эксперимента
Франк и Герц провели серию экспериментов, целью которых было изучение столкновительного возбуждения атомов ионизирующими электронами. Для этого они использовали вакуумную трубку с газом высокой чистоты, а также электроды и амперметр для создания и измерения напряжения.
В ходе эксперимента они обнаружили, что при увеличении напряжения вакуумной трубки, ток, протекающий через нее, увеличивается. Однако, при достижении определенного напряжения, ток резко падает, и начинают происходить индуцированные столкновения электронов с атомами газа.
| 1. Существуют уровни энергии в атомах газа, которые могут быть возбуждены столкновительным процессом. |
| 2. Для возбуждения атома необходимо минимальное значение энергии, которое называется первым возбужденным состоянием. |
| 3. После достижения первого возбужденного состояния, энергия атома увеличивается дискретно, что подтверждает существование квантовой природы энергии. |
| 4. Превышение напряжения над определенным значением приводит к ионизации атомов газа. |
Опыт Франка и Герца, проведенный в 1914 году, привел к революционным открытиям в области атомной физики. При проведении эксперимента было установлено, что электроны, движущиеся в пространстве, взаимодействуют с атомами газа. Результаты опыта подтвердили существование дискретных уровней энергии в атомах и эффекта ионизации.
Было обнаружено, что электроны при столкновении с атомами газа теряют энергию, но только если энергия электронов превышает определенное значение — энергию первого возбужденного состояния атома. Это подтверждает квантовую природу электронов и образование дискретного спектра энергии при движении электронов вокруг атомных ядер.
Полученные данные позволили разработать модель атома, основанную на представлении об атоме как о системе заряженных частиц, включая электроны и атомные ядра. Это стало первым шагом к разработке квантовой механики и пониманию энергетической структуры атомов.
Опыт Франка и Герца также имел практическое применение в создании электронных устройств, таких как вакуумные лампы и тиратроны, которые использовались в различных электронных системах, включая радио и телевидение.