Номер 10, страница 76, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*10. Как можно объяснить результаты опыта?

*10. Результаты опыта Франка и Герца объясняются на основе квантовой теории строения атома, предложенной Нильсом Бором. Согласно этой теории, атом может находиться только в определённых стационарных состояниях с дискретными (квантованными) значениями энергии. Энергия атома не может изменяться непрерывно; он может поглощать или излучать энергию только определёнными порциями — квантами.

В эксперименте электроны, испускаемые катодом, ускоряются электрическим полем и сталкиваются с атомами ртути, находящимися в газообразном состоянии.

1. При увеличении ускоряющего напряжения $U_a$ от нуля до примерно 4,9 В, электроны сталкиваются с атомами ртути упруго. Так как масса электрона очень мала по сравнению с массой атома ртути, электрон при упругом столкновении практически не теряет своей кинетической энергии. По мере роста $U_a$, кинетическая энергия электронов увеличивается, всё большее их число преодолевает небольшое тормозящее поле между сеткой и анодом, и сила тока $\text{I}$ плавно растёт.

2. Когда ускоряющее напряжение достигает значения $U_a \approx 4,9 \text{ В}$, кинетическая энергия электронов становится равной $E = eU_a \approx 4,9 \text{ эВ}$. Эта энергия в точности соответствует энергии, необходимой для перевода атома ртути из основного энергетического состояния в первое возбуждённое состояние. В этом случае столкновение электрона с атомом становится неупругим: электрон передаёт всю свою кинетическую энергию атому ртути, возбуждая его. Потеряв энергию, электрон уже не может преодолеть тормозящее поле и не долетает до анода. Это приводит к резкому падению силы тока, регистрируемой амперметром.

3. При дальнейшем увеличении напряжения $U_a$ (например, до 9,8 В, 14,7 В и т.д.), электроны набирают энергию, достаточную для двух, трёх и более неупругих столкновений с атомами ртути. Например, при $U_a \approx 9,8 \text{ В}$ электрон может на своём пути дважды испытать неупругое столкновение, каждый раз теряя по 4,9 эВ энергии. После двух таких столкновений его конечная кинетическая энергия вновь становится близкой к нулю, и он снова не достигает анода. Это объясняет появление второго, третьего и последующих минимумов на графике зависимости тока от напряжения при значениях напряжения, кратных 4,9 В.

Таким образом, периодические спады тока в опыте Франка и Герца являются прямым экспериментальным подтверждением существования дискретных энергетических уровней в атомах. Атомы могут поглощать энергию от сталкивающихся с ними электронов только определёнными порциями (квантами), равными разности энергий между его стационарными состояниями. Возвращаясь из возбуждённого состояния в основное, атом ртути излучает фотон с энергией, равной поглощённой ($E = 4,9 \text{ эВ}$), что было подтверждено наблюдением ультрафиолетового излучения с характерной для этого перехода длиной волны.

Ответ: Результаты опыта объясняются квантовой природой атома, а именно существованием у атомов ртути дискретных уровней энергии. Электроны могут передавать энергию атомам только определёнными порциями (квантами). При энергиях электронов, кратных 4,9 эВ (энергия первого возбуждённого состояния атома ртути), происходят неупругие столкновения, в которых электроны теряют свою энергию и не достигают анода, что приводит к периодическим спадам анодного тока.