Доказательство существования упругих соударений

В качестве основного объекта исследования Франк и Герц выбрали благородные газы и пары ртути, о которых было известно, что в них не образуются отрицательно заряженные ионы. Это и позволило выявить характер соударений электронов с атомами. При этом Франк и Герц существенно отклонились от мето;

дики Лепарда, решив фиксировать па электроде Е ие ток якобы положительно заряженных ионов, а ток электронов, эмиттировапных термокатодом К, для чего подавали на электрод Е не отрицательные, а положительные напряжения.

Франк и Герц, меняя давление газа в установке (так что в процессе движения от катода К до электрода Е электроны испытывали от единиц до тысяч соударений'^[1]), убедились, что в ^идопороговых" соударениях электроны теряли пренебрежимо малую величину кинетической энергии Д?, так что пересекали сетку G, обладая энергией Sr + eUc ~ Д?, практически неотличимой от энергии St + eUa-

Для установления последнего факта Франк и Герц использовали метод тормозящего поля (ранее уже использовавшийся Ленардом для определения максимальной кинетической энергии фотоэлектронов, см. рис. 2.21 в подразд.2.8.1), суть которого заключается в определении энергии частицы по высоте потенциального барьера, который частица в состоянии преодолеть.

Бели в установке Франка и Герца, скажем, при Uq = 10 В начать уменьшать потенциал Uе на электроде Е оть9.5 В до -0.5 В, то ток электрода Е постепенно уменьшится до нуля, причем в интервале изменения Ue от -1−9.5 В до 0 В ток 1е сохраняет постоянное значение (так как все электроны, пролетевшие сквозь сетку G, обладая энергией St' — Д?+10 эВ, были способны преодолеть задерживающее напряжение до 10 В), а затем уменьшается, обращаясь в нуль. Очевидно, ток должен стать равным нулю при таком потенциале (Ue)min? при котором ни один электрон не в состоянии преодолеть задерживающий барьер, то есть При {Ue)min ^{= —} [(Дг)тах ^— Д?]/б.

Франк и Герц обнаружили, что отрицательный потенциал (C/^Jmin, при котором прекращается ток электрода Е, не зависит от давления, пока электроны испытывают сотни и тысячи соударений, и лишь когда давление достигало такой величины, при которой электроны между катодом К и электродом Е испытывали много тысяч соударений, потеря энергии электронами в упругих соударениях начинала детектироваться. Так, Франк и Герц нашли, что при упругих соударениях с атомами гелия электроны отдают долю кинетической энергии, лежащую между 1.2−10″⁴ и 3* 10^—4, тогда как расчетное значение средней энергии, передаваемой электроном атому гелия при упругом соударении, составило около 2.9 • 10^-4.

Таким образом, Франк и Герц доказали, что до достижения пороговой энергии столкновения электронов с атомами действительно носят упругий характер, то есть что электроны о упругих соударениях с атомами теряют лишь небольшую долю энергии, предписываемую уравнением (4-$ 4)> ^а сумма кинетических энергий до и после соударения не изменяется.

• [1]^{Очевидно,} для этого понадобилось увеличивать давление в тысячу раз, то есть на 3 порядка.