Эксперимент Франк-Герц были первыми электрическими измерениями ясно показывает квантовую природу атомов , и , таким образом , «изменил наше понимание мира». [ требуется указание источника ] [1] Он был представлен 24 апреля 1914 года Немецкому физическому обществу в докладе Джеймса Франка и Густава Герца . [2] [3] Франк и Герц разработали вакуумную трубку для изучения энергичных электронов , летящих через тонкий пар ртути.атомы. Они обнаружили, что когда электрон сталкивается с атомом ртути, он может потерять только определенное количество (4,9 электрон-вольт ) своей кинетической энергии перед тем, как улететь. [4] Эта потеря энергии соответствует замедлению электрона со скорости примерно 1,3 миллиона метров в секунду до нуля. [5] 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 совместимыми с моделью Бора для атомов , предложенной в прошлом году Нильсом Бором . Модель Бора была предшественником квантовой механики и модели электронных оболочек атомов. Его ключевой особенностью было то, что электрон внутри атома занимает один из «квантовых энергетических уровней» атома. Перед столкновением электрон внутри атома ртути занимает свой самый низкий доступный энергетический уровень. После столкновения электрон внутри занимает более высокий энергетический уровень, на 4,9 электронвольта (эВ) больше энергии. Это означает, что электрон более слабо связан с атомом ртути. В квантовой модели Бора не было промежуточных уровней или возможностей. Эта особенность была «революционной», потому что не соответствовала ожиданиям, что электрон может быть связан с ядром атома любым количеством энергии. [4] [6]
Во второй статье, представленной в мае 1914 года, Франк и Герц сообщили об излучении света атомами ртути, которые поглотили энергию столкновений. [7] Они показали, что длина волны этого ультрафиолетового света точно соответствует энергии 4,9 эВ, которую потерял летящий электрон. Связь энергии и длины волны также была предсказана Бором. [4] После презентации этих результатов Франком несколько лет спустя Альберт Эйнштейн, как говорят, заметил: «Это так мило, что заставляет плакать». [1]
10 декабря 1926 года Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике 1925 года «за открытие законов, управляющих воздействием электрона на атом». [8]
Эксперимент
В первоначальном 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 (и намного ниже атмосферного давления). [2] [9] На фотографии показана современная трубка Франка – Герца. Он снабжен тремя электродами: электронно- эмиссионным горячим катодом ; металлическая сетка сетка ; и анод . Напряжение на сетке положительно относительно катода, поэтому электроны, испускаемые горячим катодом, притягиваются к нему. Электрический ток, измеренный в эксперименте, связан с электронами, которые проходят через сетку и достигают анода. Электрический потенциал анода немного отрицателен по отношению к сетке, так что электроны, которые достигают анода, имеют, по крайней мере, соответствующее количество кинетической энергии после прохождения сетки. [10]
Графики, опубликованные Franck и Hertz (см. Рисунок), показывают зависимость электрического тока, выходящего из анода, от электрического потенциала между сеткой и катодом.
- При малых разностях потенциалов - до 4,9 вольт - ток через трубку постоянно увеличивался с увеличением разности потенциалов. Такое поведение типично для настоящих электронных ламп, не содержащих паров ртути; более высокие напряжения приводят к большему « току, ограниченному объемным зарядом ».
- При 4,9 вольт ток резко падает, почти до нуля.
- Затем ток снова постепенно увеличивается при дальнейшем увеличении напряжения, пока не будет достигнуто 9,8 В (точно 4,9 + 4,9 В).
- На 9,8 вольта наблюдается аналогичное резкое падение.
- Хотя это не очевидно в исходных измерениях рисунка, эта серия провалов тока с шагом примерно 4,9 вольт продолжается до потенциалов не менее 70 вольт. [11]
Франк и Герц в своей первой статье отметили, что характеристическая энергия 4,9 эВ их эксперимента хорошо соответствует одной из длин волн света, излучаемого атомами ртути в газовых разрядах . Они использовали квантовую связь между энергией возбуждения и соответствующей длиной волны света, которую они в целом приписали Иоганну Старку и Арнольду Зоммерфельду ; он предсказывает, что 4,9 эВ соответствует свету с длиной волны 254 нм. [2] То же соотношение было включено в фотонную теорию фотоэлектрического эффекта Эйнштейна 1905 года . [12] Во второй статье Франк и Герц сообщили об оптическом излучении своих трубок, которые излучали свет с одной выдающейся длиной волны 254 нм. [7] На рисунке справа показан спектр лампы Франка – Герца; почти весь излучаемый свет имеет одну длину волны. Для справки, на рисунке также показан спектр света газового разряда ртути, 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 лампа Франка – Герца излучает только одну длину волны, почти точно соответствующую измеренному периоду напряжения, был очень важен. [10]
Моделирование столкновений электронов с атомами.
Франк и Герц объяснили свой эксперимент в терминах упругих и неупругих столкновений между электронами и атомами ртути. [2] [3] Медленно движущиеся электроны упруго сталкиваются с атомами ртути. Это означает, что направление, в котором движется электрон, изменяется в результате столкновения, но его скорость остается неизменной. Упругое столкновение проиллюстрировано на рисунке, где длина стрелки указывает скорость электрона. На атом ртути столкновение не влияет, в основном потому, что он примерно в четыреста тысяч раз массивнее электрона. [13] [14]
Когда скорость электрона превышает 1,3 миллиона метров в секунду [5], столкновения с атомом ртути становятся неупругими. Эта скорость соответствует кинетической энергии 4,9 эВ, которая выделяется в атоме ртути. Как показано на рисунке, скорость электрона уменьшается, и атом ртути становится «возбужденным». Спустя некоторое время энергия 4,9 эВ, вложенная в атом ртути, высвобождается в виде ультрафиолетового света с длиной волны ровно 254 нм. После излучения света атом ртути возвращается в исходное невозбужденное состояние. [13] [14]
Если бы электроны, испускаемые катодом, свободно летели, пока не достигли сети, они приобрели бы кинетическую энергию, пропорциональную напряжению, приложенному к сети. 1 эВ кинетической энергии соответствует разности потенциалов в 1 вольт между сеткой и катодом. [15] Упругие столкновения с атомами ртути увеличивают время, необходимое электрону, чтобы добраться до сетки, но не сильно влияет на среднюю кинетическую энергию прибывающих электронов. [14]
Когда напряжение на сетке достигает 4,9 В, столкновения электронов вблизи сетки становятся неупругими, и электроны сильно замедляются. Кинетическая энергия обычного электрона, попадающего в сетку, уменьшается настолько, что он не может двигаться дальше, чтобы достичь анода, напряжение которого настроено так, чтобы слегка отталкивать электроны. Ток электронов, достигающих анода, падает, как видно на графике. Дальнейшее увеличение напряжения сети восстанавливает достаточно энергии электронам, которые претерпели неупругие столкновения, чтобы они снова могли достичь анода. Ток снова возрастает, когда потенциал сети превышает 4,9 В. При 9,8 В ситуация снова меняется. Электроны, которые прошли примерно половину пути от катода до сетки, уже приобрели достаточно энергии, чтобы претерпеть первое неупругое столкновение. По мере того, как они медленно продвигаются к решетке от средней точки, их кинетическая энергия снова нарастает, но когда они достигают решетки, они могут испытать второе неупругое столкновение. И снова ток на аноде падает. С интервалом 4,9 вольт этот процесс будет повторяться; каждый раз электроны будут претерпевать одно дополнительное неупругое столкновение. [13] [14]
Ранняя квантовая теория
Хотя Франк и Герц не знали об этом, когда они опубликовали свои эксперименты в 1914 году, [16] в 1913 году Нильс Бор опубликовал модель атомов, которая очень успешно объясняла оптические свойства атомарного водорода. Обычно они наблюдались в газовых разрядах, которые излучали свет с серией длин волн. Обычные источники света, такие как лампы накаливания, излучают свет на всех длинах волн. Бор очень точно рассчитал длины волн, излучаемых водородом. [17]
Фундаментальное предположение модели Бора касается возможных энергий связи электрона с ядром атома. Атом может быть ионизирован, если столкновение с другой частицей дает хотя бы эту энергию связи. Это освобождает электрон из атома и оставляет положительно заряженный ион. Есть аналогия со спутниками, вращающимися вокруг Земли. У каждого спутника своя орбита, и возможно практически любое орбитальное расстояние и любая энергия связи спутника. 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 предположил, что существует только определенный ряд энергий связи, которые соответствуют «квантовым энергетическим уровням» электрона. Электрон обычно находится на самом низком энергетическом уровне с наибольшей энергией связи. Дополнительные уровни лежат выше, с меньшей энергией связи. Промежуточные энергии связи, лежащие между этими уровнями, недопустимы. Это было революционное предположение. [6]
Франк и Герц предположили, что характеристика их экспериментов 4,9 В была вызвана ионизацией атомов ртути за счет столкновений с летящими электронами, испускаемыми на катоде. В 1915 году Бор опубликовал статью, в которой отмечал, что измерения Франка и Герца больше соответствовали предположению о квантовых уровнях в его собственной модели атомов. [18] В модели Бора столкновение возбудило внутренний электрон внутри атома с его нижнего уровня на первый квантовый уровень над ним. Модель Бора также предсказывала, что свет будет излучаться, когда внутренний электрон вернется со своего возбужденного квантового уровня на самый нижний; его длина волны соответствовала разности энергий внутренних уровней атома, что было названо соотношением Бора. [4] Наблюдение Франком и Герцем излучения их трубки на длине волны 254 нм также соответствовало точке зрения Бора. После окончания Первой мировой войны в 1918 году Франк и Герц в значительной степени восприняли точку зрения Бора для интерпретации своего эксперимента, который стал одним из экспериментальных столпов квантовой механики. [1] [3] Как описал это Абрахам Пайс: «Красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потерь энергии E 2 - E 1 падающего электрона, но они также заметили, что когда энергия когда электрон превышает 4,9 эВ, ртуть начинает излучать ультрафиолетовый свет определенной частоты ν, как определено в приведенной выше формуле. Тем самым они дали (сначала невольно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора! " [4] Франк сам подчеркнул важность эксперимента с ультрафиолетовым излучением в эпилоге к фильму Комитета по изучению физических наук (PSSC) 1960 года об эксперименте Франка-Герца. [16]
Экспериментируйте с неоном
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 не токсичен, если трубка сломана. В случае ртутных трубок модель упругих и неупругих столкновений предсказывает, что между анодом и решеткой должны быть узкие полосы, где ртуть излучает свет, но этот свет является ультрафиолетовым и невидимым. Для неона интервал напряжений Франка – Герца составляет 18,7 вольт, и оранжевое свечение появляется около сетки при приложении 18,7 вольт. Это свечение будет приближаться к катоду с увеличением ускоряющего потенциала и указывает места, где электроны приобрели 18,7 эВ, необходимые для возбуждения атома неона. При напряжении 37,4 В будут видны два отдельных свечения: одно на полпути между катодом и сеткой, а другое прямо на ускоряющей сетке. Более высокие потенциалы, разнесенные 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 предсказывается соотношением Бора и интервалом 18,7 В. Частичное объяснение оранжевого света связано с двумя атомными уровнями, лежащими на 16,6 и 18,7 эВ выше самого низкого уровня. Электроны, возбужденные до уровня 18,7 эВ, падают до уровня 16,6 эВ с сопутствующим излучением оранжевого света. [19]
Рекомендации
- ^ a b c Райс, Стюарт А .; Джортнер, Джошуа (2010). "Джеймс Франк 1882-1964: биографические воспоминания" (PDF) . Национальная академия наук (США). п. 6.
Результаты этого эксперимента изменили наше понимание мира; возможно, это одна из важнейших основ экспериментального подтверждения квантовой природы материи.
- ^ а б в г д Franck, J .; Герц, Г. (1914). "Uber 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. Перевод этой статьи приведен в Boorse, Генри A .; Моц, Ллойд (1966). «46. Квантовая теория проверена». Мир атома . 1 . Основные книги. С. 766–778. OCLC 534667 .В своих первоначальных 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.
- ^ а б в Леммерих, Йост (2011). Наука и совесть: жизнь Джеймса Франка . Перевод Энн Хентчел. Издательство Стэнфордского университета. С. 45–50. ISBN 9780804779098.
Затем две статьи Франка и Герца об измерениях испаренной ртути, которые должны были войти в историю физики, быстро последовали друг за другом. Первый доклад был представлен Густавом Герцем на заседании Немецкого физического общества 24 апреля 1914 года, второй - Джеймсом Франком 22 мая (стр. 45).
Перевод Aufrecht im Sturm der Zeit: дер Physiker Джеймс Франк, 1882-1964 . Verlag für Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik. 2007. ISBN 9783928186834. OCLC 234125038 . - ^ а б в г д Паис, Авраам (1995). «Знакомство с атомами и их ядрами». В Брауне, Лори М .; Паис, Авраам; Пиппард, Брайан (ред.). Физика двадцатого века . 1 . Американский институт физики Press. п. 89. ISBN 9780750303101.
Красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потерь энергии E 2 - E 1 падающего электрона, но они также обнаружили, 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 невольно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора!
Частота ν связана с длиной волны λ света формулой ν = c / λ , где c = 2,99 × 10 8 метров в секунду - скорость света в вакууме. - ^ a b Для преобразования электронвольт в скорость электронов см. «Скорость электронов» . Практическая физика . Фонд Наффилда . Проверено 18 апреля 2014 .
- ^ а б Коэн, И. Бернард (1985). Революция в науке . Белкнап Пресс. С. 427–428 . ISBN 9780674767775.
В 1912 году молодой датчанин, работавший в лаборатории Резерфорда в Манчестере, предложил революционно новую модель атома. ... То, что затрудняло поверить в теорию Бора, - это идея дискретных и фиксированных состояний или орбит без каких-либо промежуточных состояний.
- ^ а б в Franck, J .; Герц, Г. (1914). "Über die Erregung der Quecksilberresonanzlinie 253,6 μμ durch Elektronenstöße" [О возбуждении резонансных линий ртути на длине волны 253,6 нм за счет столкновений электронов]. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (на немецком языке). 16 : 512–517.Символ μμ - устаревшее, редкое использование для обозначения нанометра . Эта статья была перепечатана в Франк, Джеймс; Герц, Густав; Германн, Армин (1967). Die Elektronenstoßversuche . Мюнхен: Э. Баттенберг. OCLC 9956175 .
- ^ Осеен, CW (10 декабря 1926 г.). «Нобелевская премия по физике 1925 года - презентационная речь» . Нобелевский фонд.
- ^ Huber, Marcia L .; Ласеке, Арно; Друг, Дэниел Г. (апрель 2006 г.). «Давление паров ртути» (PDF) . Национальный институт стандартов. п. 5. НИСТИР 6643.
- ^ а б Брандт, Зигмунд (2008). «25. Эксперимент Франка Герца (1914)» . Урожай века: открытия современной физики в 100 сериях . Издательство Оксфордского университета. п. 272. ISBN. 9780191580123.
- ^ Торнтон, Стивен; Рекс, Эндрю (2012). Современная физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Cengage Learning. С. 154–156. ISBN 9781133103721.
- ^ Паис, Авраам (1982). Тонкий Господь: наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Издательство Оксфордского университета. п. 381 . ISBN 9780191524028.Энергия E фотона является произведением постоянной Планка h и отношения c / λ скорости света c и длины волны λ .
- ^ а б в Мелиссинос, Адриан Константин; Наполитано, Джим (2003). «1.3 Эксперимент Франка – Герца» . Эксперименты в современной физике . Издательство Gulf Professional Publishing. С. 10–19. ISBN 9780124898516.Эта ссылка неверно предполагает, что Франк и Герц знали о модели Бора, когда публиковали свои эксперименты. Сам Франк заметил это в интервью в конце своей жизни; видеть Холтон, Джеральд (1961). «О недавнем прошлом физики». Американский журнал физики . 61 (12): 805–810. Bibcode : 1961AmJPh..29..805H . DOI : 10.1119 / 1.1937623 .
- ^ а б в г Демтредер, Вольфганг (2010). «3.4.4 Эксперимент Франка – Герца» . Атомы, молекулы и фотоны: введение в атомную, молекулярную и квантовую физику . Springer. С. 118–120. ISBN 9783642102981.
- ^ В своем первоначальном эксперименте Франк и Герц использовали платину как для катода, так и для сетки. Когда для электродов используются разные материалы, существует дополнительный вклад в кинетическую энергию помимо приложенного извне напряжения. Видеть Торнтон, Стивен; Рекс, Эндрю (2012). Современная физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Cengage Learning. С. 154–156. ISBN 9781133103721.
- ^ a b В 1960 году Франк объяснил, что он и Герц не знали об идеях Бора, когда были представлены их две статьи 1914 года. Франк дал свое выступление в качестве эпилога к фильму об эксперименте Франка – Герца, подготовленном Комитетом по физическим наукам (1960). Фильм доступен в Интернете; видеть Байрон Л. Юц (рассказчик); Джеймс Франк (эпилог); Джек Черчилль (режиссер) (1960). Эксперимент Франка-Герца (пленка 16 мм). Образовательные услуги. 25 минут. OCLC 4949442 . Проверено 1 июля 2014 .. Стенограмма эпилога была опубликована вскоре после того, как фильм был снят; видеть Холтон, Джеральд (1961). «О недавнем прошлом физики». Американский журнал физики . 61 (12): 805–810. Bibcode : 1961AmJPh..29..805H . DOI : 10.1119 / 1.1937623 .
- ^ Хейлброн, Джон Л. (1985). «Первые теории атома Бора» . На французском языке AP ; Кеннеди, П.Дж. (ред.). Нильс Бор: столетний том . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. С. 33–49 . ISBN 9780674624160. OCLC 12051112 .
- ^ Краг, Хельге (2012). Нильс Бор и квантовый атом: модель атомной структуры Бора 1913-1925 гг . Издательство Оксфордского университета. п. 144. ISBN 9780191630460. Краг цитирует предложение из одной из статей Бора 1915 года, в которой он обсуждает работы Франка и Герца 1914 года: «Кажется, что их эксперимент, возможно, согласуется с предположением, что это напряжение (4,9 В) соответствует только переходу от нормального в какое-то другое стационарное состояние нейтрального атома ".
- ^ Челе, Марк (2011). «2.6 Эксперимент Франка – Герца» . Основы источников света и лазеров . Джон Вили и сыновья. С. 31–36. ISBN 9780471675228.
дальнейшее чтение
- Базиль, Джорджио. «3B Scientific Mercury Franck – Hertz Tube U8482170» . Подборка изображений вакуумной лампы, использованной для эксперимента Франка – Герца в учебных лабораториях.
- Франк, Джеймс (1965). «Преобразование кинетической энергии свободных электронов в энергию возбуждения атомов при ударах» (PDF) . Нобелевские лекции по физике 1922–1941 . Эльзевир. Перевод нобелевской лекции Франка, которую он прочитал 11 декабря 1926 года.
- Геархарт, Клейтон А. (2014). "Эксперименты Франка-Герца, 1911–1914: экспериментаторы в поисках теории". Физика в перспективе . 16 (3): 293–343. Bibcode : 2014PhP .... 16..293G . DOI : 10.1007 / s00016-014-0139-3 .
- Герц, Густав (1965). «Результаты испытаний электронного удара в свете теории атомов Бора» (PDF) . Нобелевские лекции по физике 1922–1941 . Эльзевир. Перевод нобелевской лекции Герца, которую он прочитал 11 декабря 1926 года.
- Николетопулос, Питер (2012). «Современная литература по эксперименту Франка – Герца» . Архивировано из оригинала на 2012-01-16. Смотрите также «Современная литература по эксперименту Франка – Герца» .Николетопулос, умерший в 2013 году, был автором и соавтором нескольких статей, связанных с экспериментом Франка – Герца; эти статьи бросают вызов общепринятым интерпретациям эксперимента. Видеть Робсон, Роберт; Белый, Рональд. «Памяти Петра Николетопулоса» (PDF) . Центр передового опыта ARC по исследованиям антиматерии и вещества: Годовой отчет 2012 . Австралийский исследовательский совет. п. 3.
- Rapior, G .; Sengstock, K .; Баев, В. (2006). «Новые возможности эксперимента Франка – Герца» (PDF) . Являюсь. J. Phys . 74 (5): 423–428. Bibcode : 2006AmJPh..74..423R . DOI : 10.1119 / 1.2174033 . Архивировано из оригинального (PDF) 13 апреля 2014 года . Проверено 30 марта 2014 .В оригинальной статье Франка и Герца сообщалось, что анодные токи достигают примерно 15 В, как показано на рисунке выше. Дополнительные максимумы и минимумы возникают, когда ток измеряется до более высоких напряжений. В этой статье отмечается, что расстояние между минимумом и максимумом не равно 4,9 В, но увеличивается с увеличением напряжения и зависит от температуры, и приводится модель этого эффекта.