III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

В сентябре 2003 г. на встрече европейских министров образования Россия заявила о присоединении к Болонскому процессу формирования единого образовательного пространства среди сорока европейских государств. Этот процесс направлен на повышение академической мобильности абитуриентов, студентов, выпускников, преподавателей. Действительно, начиная с 2005 г, в Россию стало поступать новейшее лабораторное оборудование для обеспечения учебного процесса из стран Европы, обладающее высоким классом точности и позволяющее параллельно проводить научные исследования.

В предлагаемой вниманию работе представлены результаты исследований поведения квантового электрона в опыте Франка-Герца с неоном на базе оборудования фирмы 3B-SCIENTIFICS,  которые позволили высказать гипотезу о дискретно-разрывном характере поведения квантового электрона.

ФРАНКА - ГЕРЦА ОПЫТ - опыт, показавший, что внутр. энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает определённые дискретные значения (квантуется). Впервые поставлен в 1913 нем. физиками Дж. Франком (J. Franck) и Г. Герцем (G. Hertz). Сыграл важную роль в эксперим. подтверждении теории атома Бора (см. Атомная физика).

В опыте исследовалась зависимость силы тока I от ускоряющего потенциала V между катодом К (рис. 1) и сеткой C₁; между сеткой С₂ и анодом А приложен замедляющий потенциал. Электроны, ускоренные в области I, испытывают в области II соударения с атомами паров неона, заполняющими трубку Л.( Выбор газа продиктован тем, что атомы инертных газов (и щелочных металлов) имеют нулевые значения сродства к электрону, то есть не захватывают свободных электронов с образованием отрицательного иона; и поэтому отсутствует воздействие этого захвата на величину анодного тока в лампе).На анод А попадают только те электроны, энергия к-рых после соударения с атомом достаточна для преодоления замедляющего потенциала в области III. При увеличении ускоряющего потенциала от 0 до 19В гальванометр показал монотонный рост I; т.о., в этой области V соударения электронов с атомами носят упругий характер, внутр. энергия атомов не меняется. При значении V>=19B (и кратных ему значениях V>=19; 38B,...)на кривой I(V)появляются спады (рис. 2): соударения электронов с атомами становятся неупругими- внутр. энергия атомов растёт за счёт энергии электронов.

С картины рисунка видно, что минимальная энергия, необходимая для перехода атома в возбужденное состояние пропорциональна разности значений потенциалов соседних максимумов на кривой зависимости I=I(V). Действительно, при малых ускоряющих напряжениях V<Vki, соударения электронов с атомами имеют характер упругих столкновений (т.е. без изменения энергии электронов и атомов), так как кинетической энергии электронов, ускоренных электрическим полем, недостаточно для изменения состояния атома, то есть для перевода его в первое возбужденное состояние с энергией Ег Поэтому энергия электронов не расходуется на возбуждение атома, а может лишь незначительно увеличить его кинетическую энергию, в силу большого (на 5 порядков величины) различия масс электрона и атома. Также можно не учитывать теплового движения атомов, поскольку средняя энергия такого движения, равная «КТ (К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура среды), много меньше кинетической энергии электронов Eei, ускоренных напряжением V. При достижении значений V больших Vki, то есть энергий электронов больших еVк1, соударения их с атомами становятся неупругими: электроны могут передать всю (или часть) своей энергии атомами газа, переводя их в возбужденное состояние (Ег). Если после такого удара остаток энергии электрона оказывается меньше энергии задерживающего поля eVi между сеткой С и анодом А, то такой электрон на анод не попадает, и с ростом ускоряющего напряжения V анодный ток I начнет убывать. Уменьшение тока I происходит не скачком до нуля, т.к. электроны имеют различные начальные скорости при вылете из нагретого катода К. По этой же причине максимумы на кривой вольтамперной характеристики получаются не точно при энергии возбуждения (Ег - Ei) атома. Процесс неупругого соударения электрона с атомом может повториться при возрастании ускоряющего напряжения V, когда электрон вновь, после первого удара, наберет достаточную энергию для возбуждения атома, а затем в третий раз и т.д. В результате на кривой I = I(V) появляются максимумы тока вблизи значений V кратных числу V_Ki_; внутренняя энергия атомов растет за счет кинетической энергии электронов. Значения ускоряющего напряжения, соответствующие максимумам тока на кривой I = I(V), называются критическими потенциалами Via, а разность соседних значений критических потенциалов AVk называют резонансным потенциалом возбуждения для атомов данного сорта. Эти величины (AVk) приблизительно одинаковы для соседних максимумов (или минимумов) тока. Отметим также, что значение первого критического потенциала Vki (соответствующего первому максимуму тока I) может быть не равно точно резонансному потенциалу возбуждения А^.. Это связано с наличием разности потенциалов между катодом К и сеткой С, которая может искажать значения ускоряющего напряжения V, смещая всю кривую I=I(V) влево или вправо по оси V.

Таким образом, вид вольтамперной характеристики в опыте Франка-Герца, т.е. закономерно повторяющиеся максимумы и минимумы тока, непосредственно показывает, что атомы поглощают энергию не непрерывно, а дискетными порциями (квантами) и минимальная порция энергии, которую может поглотить атом, равна eAVk (е^-заряд электрона). Одновременно это свидетельствует о дискретном характере энергетического спектра атома (квантовании энергии атома) и I постулата Н.Бора.

Опыт Франка-Герца подтверждает также и II постулат Бора -правило частот для излучения атомов. В самом деле, при достижении ускоряющего напряжения V=Vki в газе появляются возбужденные атомы, которые могут вернуться в основное состояние (спустя время «10" - 10" с), при этом возникает излучение с длиной волны X, определяемой по формулам квантовой физики. Измерение длины волны X излучения подтверждает с высокой точностью (большей, чем измерение резонансного потенциала возбуждения Д^), т.е. II постулат Н.Бора.

В третьих, можно высказать следующую гипотезу. Электрон, как квантовая микрочастица, одновременно обладает и свойством частицы и свойством волны, то есть своеобразное облако заполненное стоячей волной  Де-Бройля с частицей ,как частицей, внутри облака волны, местоположение которой определяется принципом неопределенности Гейзенберга.

Такой электрон, обладая необходимой энергией при соударении отдает (разрывает) часть стоячей волны в виде электромагнитного излучения и передает ее электрону атома неона, переводя его в возбужденное состояние (    Ne2s---Ne3p).

Возбужденные атомы при переходе в основное состояние выбрасывают захваченное излучение в виде видимого света, которое  можно исследовать непосредственно с помощью спектральных приборов. Таким образом были обнаружены зоны, где свет и, следовательно, возбуждения является более интенсивными. Распределение таких зон между катодом и сеткой зависит от разности  потенциалов.

Интервал между впадинами  кривой  I(V) составляет  -19v, что соответствует переходу 3p , в тоже самое время нельзя сбрасывать  с рассмотрения  переход  3s, который несколько искажает вид кривой. Излучение  с  длиной волны  - X  происходит при переходе возбужденного электрона неона в основное состояние по схеме Ne3p---Ne3s.