• vk.com/club152685050Итак, катод эмитировал| vk.com/id446425943электроны. К сетке G прикладывалось ускоряющий электроны потенциал +U.
•Энергии электронов после прохождения через газ измерялись методом тормозящего поля – по величине потенциала коллектора E, при котором ток на него прекращался.
•Результат опыта:
если энергия электронов eU не превышала некоторого
порогового значения, ее величина при прохождении через газ практически не изменялась.
•Чтобы это установить, расстояние между катодом и сеткой и давление газа изменяли в широких пределах: так, что число соударений электрона с атомами на участке K-G варьировалось от единиц до тысяч. Потенциал коллектора, при котором электронный ток прекращался, оставался практически постоянным (и близким к потенциалу катода).
•Следовательно, при энергиях электронов ниже некоторого порогового значения все соударения электронов с атомами являются упругими.
•При напряжениях U выше порога ситуация изменялась.
• vk.com/club152685050Закономерности| дляvk.com/id446425943сверхпороговых напряжений стали наиболее ясны при следующем изменении методики опыта: прибор заполнялся парами ртути (давление ~1 Торр); потенциалы сетки G и коллектора E изменяли согласованно – так, что потенциал сетки всегда превышал потенциал коллектора на 0.5 В; измерялся ток коллектора в зависимости от потенциала сетки (и его собственного);
роль сетки заключалась в сборе электронов, почти полностью потерявших энергию при соударениях. Остальные электроны попадали на коллектор.
•Зависимость тока коллектора от потенциала
сетки приведена на рисунке. → →
•Ее начальный участок (U < 4 В) повторяет обычную ВАХ диода с термокатодом.
•Далее ток падает. И снова нарастает.
•Участки падения и роста повторяются с периодом, приблизительно равным 4.9 В.
Объяснение (при признании дискретности величины внутренней энергии атома): vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
•Для ртути энергия 1 4.9 эВ («первый критический потенциал», «резонансный потенциал») имеет особое значение: атом не может поглотить порцию энергии меньшей величины. Эта энергия отделяет первое возбужденное состояние атома
от основного. (Позднее обнаружилось, что у ртути есть одно возбужденное состояние с меньшей энергией, но переходы между ним и основным состоянием запрещены «правилами отбора». Поэтому его существование в данном опыте не проявлялось.)
•При eUG< 1 энергия электронов недостаточна для перевода атома в возбужденное состояние, поэтому столкновения остаются упругими.
•При большем напряжении, набрав энергию 1 , электрон тут же теряет ее в неупругом соударении с атомом.
•Если eUG превышает 1 лишь на несколько десятых эВ, на оставшемся пути к сетке электрон не получит достаточной энергии для ее преодоления и не достигнет коллектора E. При таких UG ток коллектора мал.
•С ростом UG все большему числу электронов, потерявших порцию энергии 1 , ее остатка будет хватать для достижения коллектора. Ток коллектора возрастет.
•При превышении eUG значения 2 1 электроны будут испытывать по два неупругих соударения (и сотни упругих),
ток коллектора вновь упадет, и т.д. |
6 |
|
•vk.com/club152685050В этом состоял|первыйvk.com/id446425943, изначальный опыт Франка и Герца 1913 г. Изложенная интерпретация его результатов была предложена Бором 1915 г. – сами экспериментаторы первоначально считали, что определили потенциал ионизации ртути.
•Развитие исследований – в работах самих Франка и Герца и многих последователей.
•Были определены резонансные потенциалы для многих видов атомов. Их значения весьма различны. Например 1.63 В для калия, 21 В для гелия.
•В 1914 г. Франк и Герц определили, что при ускоряющем электроны напряжении ниже резонансного потенциала ( 4.9 В) пары ртути не излучают, а при достижении этого значения – начинают испускать монохроматическое излучение единственной линии = 2537Å ( h 4.89 эВ). Происходит «излучательная релаксация» атома из возбужденного состояния в основное.
•Далее (в 1915 г., другими физиками) было обнаружено, что при дальнейшем увеличении напряжения спектр излучения начинает усложняться, приближаясь к обычному спектру данного элемента. При этом, очевидно, за счет передаваемой электронами энергии происходит перевод атомов в различные возбужденные состояния (не только в первое) и их последующая релаксация с
излучением линий, соответствующих разным переходам.
• Для изучения разных возбужденных состояний схема опыта
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
должна быть изменена. Вводится дополнительная сетка G1 вблизи катода. Ее потенциал – тот же, что и у сетки G. Давление выбираю таким, чтобы в зазоре K-G1 столкновений электронов с атомами (почти) не происходило. Цель – придать электронам требуемую энергию раньше, чем они ее потеряют в столкновениях с переводом атомов в первое возбужденное состояние.
|
• При использовании такого прибора вид ВАХ усложняется, |
Cхема прибора для |
|
они содержит много пиков. Однако, их интерпретация |
изучения различных |
|
ступеней возбуждения |
|
|
|
сложна, поскольку многие пики соответствуют |
атомов |
|
комбинациям нескольких последовательных возбуждений. |
|
•Пример:
Были определены 10 критических потенциалов для ртути от 4,9 до 21.2 В.
Все они оказались комбинациями всего двух элементарных процессов: a=4.9 В и b=6.7 В: a, 2a, a+b, 2b, a+2b, 3a+b, и т.п.
• Чтобы исключить многократные потери энергии электронами, можно уменьшить давление рассеивающего газа. Но тогда большая часть электронов будет достигать коллектора без столкновений и амплитуда пиков снизится
(ВАХ приблизится к обычной ВАХ вакуумного диода).
8
• vkДля.com/club152685050решения этой| проблемыvk.com/id446425943позднее были предложены более сложные методы измерений.
•Пример: метод Юза, Рожанского и Макмиллана.
•Электронный пучок, создаваемый электронной
пушкой G, инжектируется в камеру с газом. Давление газа достаточно низко, чтобы электроны претерпевали лишь однократные столкновения.
•Энергия электронов достаточна для получения
всех изучаемых возбуждений.
•Электроны, рассеянные в области M, выводят (через щели S1 и S2) из камеры для проведения энергоанализа.
•Энергоанализатор представляет собой конденсатор Юза-Рожанского с обкладками P1-P2. Задание напряжения на обкладках позволяет выбрать энергию электронов, попадающих на детектор K.
•Измеряемый спектр электронов отражает
величины энергопотерь в актах рассеяния. |
|
Показан спектр для рассеяния в гелии при |
|
первичной энергии электронов 50 эВ. Справа |
|
находится пик упругого рассеяния. |
9 |
|
• Отдельный интерес представляет измерение ионизационных потенциалов – тех значений vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
энергии, при которых происходит не просто перевод электрона на другую орбиту
(возбуждение атома), а полное удаление электрона. Это позволяет определить
абсолютное значение энергии основного состояния (а следовательно, и всех возбужденных) «относительно уровня вакуума», энергию связи наиболее слабо связанного электрона.
•Сложность в определении момента ионизации состоит в необходимости отличить ток ионов на регистрирующий электрод от тока электронов, эмитируемых с регистрирующего электрода
под действием УФ излучения газа (ток фотоэмиссии).
•Эта проблема может быть решена различными способами.
•Для регистрации ионов Герц ввел дополнительную накаливаемую нить K1 в область, где происходило рассеяние электронов, и приложил отрицательный потенциал.
•В отсутствии ионов ток нити K1 ограничивался пространственным зарядом эмитируемых ею электронов.
•При появлении ионов в окрестности нити (когда напряжение UG1 превышало потенциал ионизации)
ток нити K1 возрастал, поскольку ионы частично компенсировали пространственный заряд
электронов. Показаны результаты для неона (Г. Герц). → |
10 |
|
•vk.com/club152685050Измеренные таким| vk.com/id446425943образом значения потенциалов ионизации показали «периодическую» (на самом деле, сложную) зависимость от атомного номера элемента и корреляцию с его химическими свойствами.
•Это не удивительно, поскольку и то и другое определяется «периферическими», слабо связанными с ядром электронами.
• Сочетание исследований атомных
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
столкновений и спектральных данных позволяет восстановить полные спектры энергий возбужденных состояний атомов.
•При увеличении энергии электронов начиная с первого критического потенциала спектральные линии излучения появляются не одновременно, а в некоторой последовательности. Это помогает соотнести c их переходами между конкретными состояниями.
•Пример: → →
спектры испускания паров ртути при их облучении электронами с энергиями 8.7 (слева) и 9.7 (справа) эВ (Г. Герц, 1924).
Обозначены длины волн излучения.
Цифры в скобках указывают величину энергии электронов, начиная с которой
в спектре появляется данная линия.
•На следующем слайде – схема энергетических состояний атома ртути,
построенная по этим данным. |
12 |
|
