§ 4.8 Опыт Франка-Герца

§ 4.8 Опыт Франка-Герца

Когда разность потенциалов достигнет 4,9 В, электроны при неупругом столкновении с атомами ртути вблизи сетки отдадут им всю свою энергию… Аналогичные опыты в дальнейшем были проведены с другими атомами. Для всех них были получены характерные разности потенциалов, называемые резонансными потенциалами.

А.Н. Матвеев, "Атомная физика" [82]

Итак, энергия не излучается и не поглощается атомом в виде фотонов, квантов света. Нет "квантовых явлений", которые нельзя бы было истолковать в рамках классической физики. Но и внутри атомов энергия электрона не квантуется, не меняется дискретно, вопреки квантовой механике. Дискретное изменение энергии в атоме обычно доказывают дискретным спектром атомов (излучаемый атомом спектр частот создаётся, якобы, переходами между постоянными уровнями энергии) и опытом Франка-Герца. Как помним, дискретный спектр излучения связан, в действительности, не с уровнями энергии, а с наличием у электронов собственных частот колебаний в магнитном поле атома (§ 3.1). Поэтому, и опыт Франка-Герца, видимо, связан с этими резонансными частотами атома. В этом опыте выяснилось, что атомы поглощают энергию порциями [82, 134]. Это следовало из того, что электроны, разгоняемые электрическим полем, при столкновении с атомами, — отдавали им свою энергию E, едва она достигала значения E₁, равного первому резонансному потенциалу атома (минимальной энергии электрона необходимой для возбуждения атома). Уже само упоминание резонанса говорит о том, что потеря электроном энергии вызвана совпадением частот. В самом деле, электрон с энергией E, столкнувшись с атомом, либо отскочит, либо на время с ним соединится, угодив в магнитную ловушку атома и начав обращаться с частотой f=E/h. Повращавшись в обществе атома, он может его покинуть, сохранив свой запас энергии.

Но всё будет иначе, если частота обращения f этого внешнего электрона совпадёт, войдёт в резонанс с частотой собственных колебаний одного из внутренних электронов, сидящих в узлах атома (Рис. 159). Тогда, внешний электрон, кружась, станет своим периодичным воздействием, при регулярном сближении, сильно раскачивать узловой, и, передав ему свою энергию, покинет атом — с заметно меньшим её запасом. А колеблющийся, внутренний электрон начнёт постепенно терять энергию в виде излучения с частотой f своего кружения в узле, пока не замрёт там. Вот почему, едва электроны наберут в ускоряющем поле критическую энергию E₁, они сразу её теряют, вызывая свечение газа на частоте f=E₁/h первой резонансной линии [134].

Рис. 159. Опыт Франка-Герца: уход энергии электрона в излучение при резонансе.

Отметим, что в случае, если энергия захваченного электрона больше резонансного потенциала, он уже не сможет возбудить колебания внутреннего электрона, поскольку будет вращаться с большей частотой. Усовершенствованный опыт Франка-Герца, действительно, показал, что если электрон влетает в газ уже с энергией, большей резонансного потенциала, он эту энергию не теряет, и ток электронов не снижается [134]. Это ещё раз доказывает резонансный характер явления: атом не может забрать энергию у электронов не только с энергией, меньшей критической, равной резонансному потенциалу, но и с большей. В противоположность этому, ионизацию атома, отрыв от него электрона, как показали опыты, способны производить и электроны с энергией, большей потенциала ионизации E_и. Это соответствует классической теории, поскольку в отличие от возбуждения излучения, ионизация атома вызывается чисто механическим ударом электрона по атому. Но это явление ударной ионизации — в корне противоречит квантовой теории атома Бора, по которой атом, с его дискретной системой уровней, способен поглощать только строго определённые порции энергии, как при возбуждении, так и при ионизации.

Впрочем, кванторелятивисты выдумали следующую уловку. Если электрон имеет энергию E, большую потенциала ионизации E_и, то его энергия может быть поглощена атомом, независимо от значения E, поскольку выше E_и спектр энергий атома становится из дискретного — сплошным, так как энергия электрона вне атома может быть произвольной [134]. Это якобы подтверждает и то, что линейчатый спектр излучения атома становится сплошным — после достижения границы серии f_? (так, у водорода это частота f_?=Rc(1/n²–1/m²)=Rc/n², для которой m=? [74]). Но это, именно, — уловка, ибо она противоречит постулату Бора о порционном захвате энергии атомом. Ведь электроны вне атома уже не имеют отношения к его энергетическому спектру, и надо отдельно рассматривать дискретные скачки энергии электрона внутри атома и непрерывные её вариации уже после ионизации и поглощения энергии E_и. То есть, квантовая трактовка не проходит, зато классическая легко объясняет как ионизацию, так и сплошной спектр, примыкающий к границе серии. Сплошной спектр генерируют электроны, захваченные магнитным полем атома, когда крутятся в нём с частотой f=E/h и излучают на этой частоте (§ 3.1). От излучения их энергия E убывает, и плавно снижается частота f излучения электрона, по мере расширения витков его орбиты. Так атом генерирует сплошной спектр. Но, едва частота вращения f снизится до значения f_? (до предельной частоты излучения в спектральной серии), как внешний электрон, за счёт резонанса, станет быстро отдавать свою энергию внутренним, узловым электронам (с собственными частотами ~f_?), как в опыте Франка-Герца. Поэтому, внешний электрон, отдав им энергию и потеряв скорость, уже не удерживается силой Лоренца. Он отрывается от атома, перестав вращаться и излучать, а генерируемый им сплошной спектр обрывается на границе серии f_?.

Тем самым, ещё один фундаментальный опыт, доказывающий будто бы, что энергия излучения и электрона в атоме квантуется, принимая лишь дискретный ряд значений, как оказалось, можно легко истолковать с классических позиций, если принять магнитную модель атома Ритца. Энергия электрона в атоме меняется непрерывно, а мнимая дискретность вызвана связью частоты колебаний электрона и его энергии, а, также, — дискретным рядом частот, которые может излучать атом из-за дискретного распределения в нём узловых электронов. Возможно, поэтому многие учебники избегают упоминаний о резонансных потенциалах, наводящих на мысль о резонансе частот, и говорят о них как о критических потенциалах или потенциалах возбуждения.