Номер 6, страница 209 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

6. К какому выводу пришли Франк и Герц в своих опытах?

Опыты Джеймса Франка и Густава Герца, проведенные в 1914 году, стали первым прямым экспериментальным подтверждением квантовой теории строения атома, предложенной Нильсом Бором. Суть эксперимента, его результаты и выводы заключаются в следующем.

Суть эксперимента

В эксперименте изучались столкновения электронов с атомами разреженного газа (в частности, паров ртути). Электроны, испускаемые нагретым катодом, ускорялись в электрическом поле, созданном напряжением $\text{U}$ между катодом и сеткой. После прохождения через область с парами ртути электроны, обладающие достаточной энергией, попадали на коллектор (анод), создавая электрический ток. Измерялась зависимость силы этого тока от величины ускоряющего напряжения.

Наблюдения и интерпретация

1. При плавном увеличении ускоряющего напряжения от нуля сила тока сначала росла. Это означало, что электроны, сталкиваясь с атомами ртути, испытывали упругие соударения. Так как масса атома ртути значительно больше массы электрона, электрон при таком столкновении практически не терял свою кинетическую энергию $E_k = eU$ и беспрепятственно достигал коллектора.

2. Однако, когда ускоряющее напряжение достигало определенного значения (для ртути — 4,9 В), сила тока резко уменьшалась. Это явление объяснялось тем, что при данной энергии электроны стали испытывать неупругие соударения с атомами ртути. При таком столкновении электрон передавал атому всю свою кинетическую энергию (равную 4,9 эВ), а сам практически останавливался и не мог достичь коллектора. Переданная атому энергия переводила его в возбужденное состояние.

3. При дальнейшем увеличении напряжения ток снова начинал расти, так как электроны после неупругого столкновения снова начинали ускоряться полем. Но при достижении напряжения 9,8 В ($2 \times 4,9$ В), 14,7 В ($3 \times 4,9$ В) и так далее, наблюдались новые резкие спады тока. Это указывало на то, что электрон, набрав энергию, кратную 4,9 эВ, мог испытать несколько последовательных неупругих столкновений, каждый раз возбуждая атом ртути.

4. Ключевым моментом стало то, что атомы могут поглотить не любую порцию энергии, а только строго определенную. Энергия в 4,9 эВ соответствовала энергии перехода атома ртути с основного энергетического уровня на первый возбужденный. Возвращаясь в основное состояние, возбужденный атом излучал фотон с энергией, равной поглощенной. Франк и Герц зафиксировали ультрафиолетовое излучение от паров ртути с длиной волны $\lambda$, соответствующей энергии кванта $E = 4,9$ эВ, что подтвердило их гипотезу.

Вывод

Главный вывод, сделанный Франком и Герцем, заключается в том, что внутренняя энергия атома не может изменяться непрерывно. Атом может находиться только в определенных стационарных состояниях с дискретными (квантованными) значениями энергии. Поглощение и излучение энергии атомом происходит только определенными порциями — квантами, при переходе атома с одного энергетического уровня на другой. Таким образом, опыты Франка и Герца стали неопровержимым экспериментальным доказательством существования дискретных энергетических уровней в атомах, что являлось фундаментальным постулатом модели атома Бора.

Ответ: Франк и Герц в своих опытах пришли к выводу о дискретном (квантованном) характере энергетических состояний атомов. Они экспериментально доказали, что атомы могут поглощать и излучать энергию только определенными порциями (квантами), что подтвердило существование стационарных энергетических уровней, предсказанных в модели атома Нильса Бора.