Опыт Франка – Герца

Схематическая вольт-амперная характеристика в опыте Франка-Герца.
Опыт Франка-Герца – эксперимент, поставленный в 1913-1914 годах Джеймсом Франко и Густав Людвиг Герц, с неупругого рассеяния электронов на атомах. Эксперимент подтвердил предположение модели строения атома Нильса Бора. Франк и Герц были награждены Нобелевской премией по физике за 1925 год.
В заполненную разреженным газом трубку были впаяны три электрода: катод, сетка и анод. Напряжение на аноде поддерживалась несколько ниже, чем на сетке, чтобы его достигали только электроны с достаточной кинетической энергией. Напряжение на сетке постепенно увеличивалась и измерялась сила тока.
Трубка была заповена парой ртути. При малом напряжении на сетке, до 4,9 В сила тока возрастала с увеличением напряжения. При напряжении 4,9 В сила тока начинала спадать и достигала почти нуля. Потом она снова возрастала, достигая нового пика при напряжении 9,8 В. Еще один пик наблюдался при напряжении 14,7 В. Такие периодические осцилляции можно различить до напряжения 100 В.
Результаты Франка и Герца объясняются, исходя из модели Бора. Бор постулировал, что энергия атома квантована, т.е. может иметь только определенные дискретные значения. Электрон, энергия которого недостаточна для возбуждения атома, то есть перевода его в состояние с высокой энергией, розсиююеться атомом только упруго, не испытывая энергетических потерь. Сила тока возрастает с увеличением напряжения том, что электроны сильнее ускоряются электрическим полем. Если энергия электрона достаточна для перевода атома в возбужденное состояние, то рассеяние электрона становится неупругим – происходит с потерей энергии. Поэтому при напряжении на сетке, большей за 4,9 В, электроны не достигают анода – на своем пути они испытывают столкновений с атомами ртути и теряют энергию. При более высоких напряжениях сила тока возрастает, ибо электроны после столкновения вновь успевают ускориться в электрическом поле. Но при напряжении, вдвое выше от значения 4,9 В, электроны теряют энергию дважды, а при напряжении, втрое выше, неупругое столкновение происходит трижды.
Таким образом, результаты Франко и Герца подтверждают постулаты Бора. Разумно предположить, что в оптических спектрах паров ртути должна быть линия с длиной волны

,

где h – постоянная Планка, а E 0 = 4,9 эВ – энергия низкого возбужденного состояния атома ртути. Такая линия, находится в ультрафиолетовой области спектра, в действительности существует.
Эксперименты с неоном обнаружили линию с энергией около 19 эВ. Дополнительной особенностью является то, что возбужденное неон светится красным светом. Сначала свечение возникает вблизи сетки, но с увеличением напряжения оно смещается в направлении к катоду, индуктирующей область, где происходит столкновение электрона с атомом газа.