Эксперимент Франка-Герца

Фотография запечатанного стеклянного цилиндра. Провода проникают в цилиндр сверху, снизу и сбоку. Три провода ведут к катодному узлу; верхняя и боковые проволоки ведут к диску и сетке, которые расположены близко и параллельно друг другу. Провода прикреплены к вводам на алюминиевой панели на заднем плане. — Фотография вакуумной трубки, используемой для эксперимента Франка-Герца в учебных лабораториях. Внутри трубки есть капелька ртути, хотя на фотографии ее не видно. В – катодный узел; сам катод горячий и светится оранжевым. Он излучает электроны, которые проходят через металлическую сетку (G) и собираются анодом (А) в виде электрического тока.

Эксперимент Франка-Герца был первым электрическим измерением, которое ясно показало квантовую природу атомов и, таким образом, «изменило наше понимание мира». ^{[ 1 ]} Он был представлен 24 апреля 1914 года Немецкому физическому обществу в статье Джеймса Франка и Густава Герца . ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Франк и Герц сконструировали вакуумную трубку для изучения энергичных электронов , пролетающих через тонкие пары атомов ртути . Они обнаружили, что когда электрон сталкивается с атомом ртути, он может потерять только определенное количество (4,9 электрон-вольта ) своей кинетической энергии , прежде чем улететь. ^{[ 4 ]} Эта потеря энергии соответствует замедлению электрона со скорости около 1,3 миллиона метров в секунду до нуля. ^{[ 5 ]} Более быстрый электрон после столкновения не тормозится полностью, а теряет ровно столько же своей кинетической энергии. Более медленные электроны просто отскакивают от атомов ртути, не теряя при этом значительной скорости или кинетической энергии.

Эти экспериментальные результаты оказались совместимыми с моделью Бора для атомов , предложенной в прошлом году Нильсом Бором . Модель Бора была предшественником квантовой механики и модели электронной оболочки атомов. Его ключевой особенностью было то, что электрон внутри атома занимает один из «квантовых энергетических уровней» атома. Перед столкновением электрон внутри атома ртути занимает самый низкий доступный энергетический уровень. После столкновения электрон внутри занимает более высокий энергетический уровень с энергией на 4,9 электронвольта (эВ). Это означает, что электрон более слабо связан с атомом ртути. В квантовой модели Бора не было промежуточных уровней или возможностей. Эта особенность была «революционной», поскольку она несовместима с ожиданием того, что электрон может быть связан с ядром атома с помощью любого количества энергии. ^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}

Во второй статье, представленной в мае 1914 года, Франк и Герц сообщили об излучении света атомами ртути, поглотившими энергию от столкновений. ^{[ 7 ]} Они показали, что длина волны этого ультрафиолетового света точно соответствует 4,9 эВ энергии, которую потерял летящий электрон. Взаимосвязь энергии и длины волны также была предсказана Бором, поскольку он следовал структуре, изложенной Хендриком Лоренцем на Сольвеевском конгрессе 1911 года. В Solvay Хендрик Лоренц после выступления Эйнштейна о квантовой структуре предложил принять энергию ротатора равной nhv. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Поэтому Бор последовал инструкциям, данным в 1911 году, и скопировал формулу, предложенную Лоренцем и другими, в свою атомную модель 1913 года . ^{[ 10 ]} Лоренц был прав. Квантование атомов соответствовало его формуле, включенной в модель Бора. ^{[ 4 ]} Говорят , что после презентации этих результатов Франком несколько лет спустя Альберт Эйнштейн заметил: «Это так прекрасно, что заставляет плакать». ^{[ 1 ]}

10 декабря 1926 года Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике 1925 года «за открытие законов, управляющих воздействием электрона на атом». ^{[ 11 ]}

Эксперимент

В первоначальном эксперименте Франка и Герца использовалась нагретая вакуумная трубка, содержащая каплю ртути ; они сообщили о температуре трубки 115 ° C, при которой давление пара ртути составляет около 100 паскалей (около тысячной доли атмосферного давления). ^{[ 2 ]}^{[ 12 ]} На фотографии изображена современная трубка Франка-Герца. Он оснащен тремя электродами: электроноэмитирующим горячим катодом ; металлическая сетка- сетка ; и анод . сетки Напряжение положительно по отношению к катоду, поэтому электроны, испускаемые горячим катодом, притягиваются к нему. Электрический ток, измеряемый в эксперименте, создается электронами, которые проходят через сетку и достигают анода. Электрический потенциал анода слегка отрицателен по отношению к сетке, так что электроны, достигающие анода, имеют как минимум соответствующее количество кинетической энергии . после прохождения сетки ^{[ 13 ]}

Длины волн света, излучаемого разрядом паров ртути и трубкой Франка-Герца, работающей при напряжении 10 В. Трубка Франка-Герца в основном излучает свет с длиной волны около 254 нанометров; разряд излучает свет на многих длинах волн. На основе оригинального рисунка 1914 года. ^{[ 7 ]}

Графики, опубликованные Франком и Герцем (см. рисунок), показывают зависимость электрического тока, вытекающего из анода, от электрического потенциала между сеткой и катодом.

При малых разностях потенциалов — до 4,9 вольт — ток через трубку постепенно увеличивался с увеличением разности потенциалов. Такое поведение типично для настоящих электронных ламп, не содержащих паров ртути; более высокие напряжения приводят к большему « току, ограниченному пространственным зарядом ».
При 4,9 В ток резко падает, почти до нуля.
Затем ток снова постепенно увеличивается по мере дальнейшего увеличения напряжения, пока не будет достигнуто 9,8 В (точно 4,9 + 4,9 В).
При 9,8 В наблюдается аналогичный резкий спад.
Хотя это не очевидно в первоначальных измерениях рисунка, эта серия провалов тока с шагом примерно 4,9 В продолжается до потенциала по меньшей мере 70 В. ^{[ 14 ]}

Франк и Герц в своей первой статье отметили, что характерная энергия их эксперимента 4,9 эВ хорошо соответствует одной из длин волн света, излучаемого атомами ртути в газовых разрядах . Они использовали квантовую зависимость между энергией возбуждения и соответствующей длиной волны света, которую они широко приписывали Иоганнесу Старку и Арнольду Зоммерфельду ; он предсказывает, что 4,9 эВ соответствует свету с длиной волны 254 нм. ^{[ 2 ]} Эйнштейна 1905 года То же соотношение было также включено в фотонную теорию фотоэлектрического эффекта . ^{[ 15 ]} Во второй статье Франк и Герц сообщили об оптическом излучении своих трубок, которое излучало свет с единственной заметной длиной волны 254 нм. ^{[ 7 ]} На рисунке справа показан спектр трубки Франка – Герца; почти весь излучаемый свет имеет одну длину волны. Для справки, на рисунке также показан спектр ртутного газоразрядного света, который излучает свет на нескольких длинах волн, помимо 254 нм. Рисунок основан на оригинальных спектрах, опубликованных Франком и Герцем в 1914 году. Тот факт, что трубка Франка-Герца излучала только одну длину волны, почти точно соответствующую измеренному ими периоду напряжения, был очень важен. ^{[ 13 ]}

Моделирование столкновений электронов с атомами

Рисунок, показывающий три круга, каждый с надписью «Hg» внутри. Верхний круг помечен как «упругое столкновение». Рядом с ним находятся две стрелки одинаковой длины: одна направлена в сторону круга, а другая — в сторону. Средний круг помечен как «неупругое столкновение», к нему направлена более длинная стрелка, а в сторону — более короткая. Самый нижний круг помечен как «излучение света» и находится рядом с волнистой стрелкой, указывающей в сторону. — Упругие и неупругие столкновения электронов с атомами ртути. Электроны, движущиеся медленно, после упругих столкновений меняют направление, но не меняют своей скорости. Более быстрые электроны теряют большую часть своей скорости при неупругих столкновениях. Потерянная кинетическая энергия передается атому ртути. Впоследствии атом излучает свет и возвращается в исходное состояние.

Франк и Герц объяснили свой эксперимент упругими и неупругими столкновениями между электронами и атомами ртути. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Медленно движущиеся электроны упруго сталкиваются с атомами ртути. Это означает, что направление движения электрона в результате столкновения меняется, но его скорость остается неизменной. Упругое столкновение показано на рисунке, где длина стрелки указывает скорость электрона. Атом ртути не пострадал от столкновения, главным образом потому, что он примерно в четыреста тысяч раз массивнее электрона. ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Когда скорость электрона превышает примерно 1,3 миллиона метров в секунду, ^{[ 5 ]} Столкновения с атомом ртути становятся неупругими. Эта скорость соответствует кинетической энергии 4,9 эВ, вложенной в атом ртути. Как показано на рисунке, скорость электрона снижается, и атом ртути становится «возбуждённым». Спустя некоторое время энергия 4,9 эВ, вложенная в атом ртути, высвобождается в виде ультрафиолетового света с длиной волны ровно 254 нм. После излучения света атом ртути возвращается в исходное невозбужденное состояние. ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Если бы электроны, испускаемые катодом, летали свободно, пока не достигли сетки, они приобрели бы кинетическую энергию, пропорциональную напряжению, приложенному к сетке. 1 эВ кинетической энергии соответствует разности потенциалов в 1 вольт между сеткой и катодом. ^{[ 18 ]} Упругие столкновения с атомами ртути увеличивают время, необходимое электрону для достижения сетки, но средняя кинетическая энергия прибывающих туда электронов не сильно меняется. ^{[ 17 ]}

Когда напряжение на сетке достигает 4,9 В, столкновения электронов вблизи сетки становятся неупругими, и электроны сильно замедляются. Кинетическая энергия типичного электрона, попадающего в сетку, уменьшается настолько, что он не может двигаться дальше, чтобы достичь анода, напряжение которого настроено так, чтобы слегка отталкивать электроны. Ток электронов, достигающих анода, падает, как видно на графике. Дальнейшее увеличение напряжения в сети восстанавливает достаточно энергии электронам, пострадавшим от неупругих столкновений, чтобы они могли снова достичь анода. Ток снова возрастает, когда потенциал сети превышает 4,9 В. При 9,8 В ситуация снова меняется. Электроны, прошедшие примерно половину пути от катода к сетке, уже приобрели достаточно энергии, чтобы пережить первое неупругое столкновение. По мере того, как они медленно продвигаются к сетке от средней точки, их кинетическая энергия снова накапливается, но когда они достигают сетки, они могут подвергнуться второму неупругому столкновению. И снова ток на аноде падает. С интервалом 4,9 В этот процесс будет повторяться; каждый раз электроны будут испытывать еще одно неупругое столкновение. ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Ранняя квантовая теория

На рисунке вверху имеется широкий прямоугольник с надписью «Уровни вакуума». Под прямоугольником слева находится вертикальная стрелка, заканчивающаяся прямоугольником; стрелка обозначена «энергия связи электрона». В середине находится длинная серия мелко разделенных линий, параллельных нижней части прямоугольника; они называются «классическими энергетическими уровнями». Справа — серия из четырех хорошо разделенных параллельных линий; их называют «квантовыми уровнями энергии». — Модель атома Бора предполагала, что электрон может быть связан с атомным ядром только с одной из ряда определенных энергий, соответствующих уровням квантовой энергии. Ранее классические модели связи частиц допускали любую энергию связи.

Хотя Франк и Герц не знали об этом, когда опубликовали свои эксперименты в 1914 году, ^{[ 19 ]} В 1913 году Нильс Бор опубликовал модель атомов, которая очень успешно объясняла оптические свойства атомарного водорода. Обычно они наблюдались в газовых разрядах, которые излучали свет с различными длинами волн. Обычные источники света, такие как лампы накаливания, излучают свет на всех длинах волн. Бор очень точно рассчитал длины волн, излучаемые водородом. ^{[ 20 ]}

Фундаментальное предположение модели Бора касается возможных энергий связи электрона с ядром атома. Атом может быть ионизирован , если столкновение с другой частицей обеспечит хотя бы эту энергию связи. Это освобождает электрон от атома и оставляет после себя положительно заряженный ион. Есть аналогия со спутниками, вращающимися вокруг Земли. Каждый спутник имеет свою орбиту, и возможны практически любые орбитальные расстояния и любая энергия связи спутников. Поскольку электрон притягивается к положительному заряду атомного ядра аналогичной силой, так называемые «классические» расчеты предполагают, что для электронов также должна быть возможна любая энергия связи. Однако Бор предположил, что существует только определенный ряд энергий связи, которые соответствуют «квантовым уровням энергии» электрона. Электрон обычно находится на самом низком энергетическом уровне с наибольшей энергией связи. Дополнительные уровни лежат выше и имеют меньшую энергию связи. Промежуточные энергии связи, лежащие между этими уровнями, не допускаются. Это было революционное предположение. ^{[ 6 ]}

Франк и Герц предположили, что напряжение 4,9 В, характерное для их экспериментов, обусловлено ионизацией атомов ртути в результате столкновений с летящими электронами, испускаемыми на катоде. В 1915 году Бор опубликовал статью, в которой отметил, что измерения Франка и Герца более согласуются с предположением о квантовых уровнях в его собственной модели атомов. ^{[ 21 ]} В модели Бора столкновение возбуждает внутренний электрон внутри атома с его самого низкого уровня на первый квантовый уровень над ним. Модель Бора также предсказала, что свет будет излучаться, когда внутренний электрон вернется со своего возбужденного квантового уровня на самый низкий; его длина волны соответствовала разности энергий внутренних уровней атома, получившей название соотношения Бора. ^{[ 4 ]} Наблюдение Франком и Герцем излучения из их трубки на длине волны 254 нм также соответствовало точке зрения Бора. Написав после окончания Первой мировой войны в 1918 году, Франк и Герц в значительной степени приняли точку зрения Бора для интерпретации своего эксперимента, который стал одним из экспериментальных столпов квантовой механики. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]} Как описал это Абрахам Пайс: «Красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потерь энергии E ₂ — E ₁ падающего электрона, но они также наблюдали, что, когда энергия этого электрона превышает 4,9 эВ, , ртуть начинает излучать ультрафиолетовый свет определенной частоты ν, определенной в приведенной выше формуле. Тем самым они дали (поначалу невольно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора!» ^{[ 4 ]} Сам Франк подчеркнул важность эксперимента по ультрафиолетовому излучению в эпилоге к фильму Комитета по физическим исследованиям (PSSC) 1960 года об эксперименте Франка-Герца. ^{[ 19 ]}

Экспериментируйте с неоном

Эксперимент Франка-Герца с неоном, в результате которого появляются светящиеся области.

В учебных лабораториях эксперимент Франка-Герца часто проводится с использованием неонового газа , который показывает возникновение неупругих столкновений с видимым оранжевым свечением в вакуумной трубке, а также нетоксичен в случае поломки трубки. В случае ртутных трубок модель упругих и неупругих столкновений предсказывает, что между анодом и сеткой должны быть узкие полосы, в которых ртуть излучает свет, но свет ультрафиолетовый и невидимый. Для неона интервал напряжения Франка-Герца составляет 18,7 вольт, а при подаче напряжения 18,7 вольт возле сетки появляется оранжевое свечение. Это свечение будет приближаться к катоду с увеличением ускоряющего потенциала и указывает места, где электроны приобрели энергию 18,7 эВ, необходимую для возбуждения атома неона. При напряжении 37,4 В будут видны два отчетливых свечения: одно посередине между катодом и сеткой, а другое прямо у ускоряющей сетки. Более высокие потенциалы, расположенные с интервалом 18,7 В, приведут к появлению дополнительных светящихся областей в трубке.

Дополнительным преимуществом неона для учебных лабораторий является то, что трубку можно использовать при комнатной температуре. Однако длина волны видимого излучения намного длиннее, чем предсказывают соотношение Бора и интервал 18,7 В. Частичное объяснение оранжевого света связано с двумя атомными уровнями, расположенными на 16,6 эВ и 18,7 эВ выше самого низкого уровня. Электроны, возбужденные до уровня 18,7 эВ, падают до уровня 16,6 эВ с сопутствующим излучением оранжевого света. ^{[ 22 ]}

Эксперимент Франка-Герца с неоновым газом: 3 светящиеся области
Эксперимент Франка-Герца с неоном: зависимость анодного тока от напряжения сетки (относительно катода).

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Райс, Стюарт А .; Йортнер, Джошуа (2010). «Джеймс Франк 1882–1964: Биографические мемуары» . Национальная академия наук (США). п. 6. Наше понимание мира изменилось благодаря результатам этого эксперимента; возможно, это одна из важнейших основ экспериментальной проверки квантовой природы материи.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Франк, Дж.; Герц, Г. (1914). «О столкновениях между электронами и молекулами паров ртути и их потенциале ионизации» [О столкновениях между электронами и молекулами паров ртути и их потенциале ионизации] (PDF) . Переговоры Немецкого физического общества (на немецком языке). 16 :457-467. Архивировано из оригинала (PDF) 02 февраля 2017 г. Проверено 21 января 2017 г. Перевод этой статьи приведен в Бурс, Генри А.; Моц, Ллойд (1966). «46. Квантовая теория проверена». Мир атома . Том. 1. Основные книги. стр. 766–778. OCLC 534667 . В своих первоначальных статьях Франк и Герц интерпретировали потенциал 4,9 В, связанный с неупругими столкновениями электронов и ртути, как показатель потенциала ионизации ртути. Связь с моделью атомов Бора возникла несколько позже.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Леммерих, Йост (2011). Наука и совесть: жизнь Джеймса Франка . Перевод Энн Хентшель. Издательство Стэнфордского университета. стр. 45–50. ISBN 9780804779098 . Затем одна за другой появились две статьи Франка и Герца об измерениях испаренной ртути, которым предстояло вписать свои имена в историю физики. Первый доклад был представлен Густавом Герцем на заседании Немецкого физического общества 24 апреля 1914 года, второй — Джеймсом Франком 22 мая. (стр. 45) . Выстоять в буре времени: физик Джеймс Франк, 1882–1964 гг . Издательство истории естествознания и техники. 2007. ISBN 9783928186834 . OCLC 234125038 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Паис, Авраам (1995). «Введение в атомы и их ядра». В Брауне, Лори М .; Паис, Авраам; Пиппард, Брайан (ред.). Физика двадцатого века . Том. 1. Американский институт физики. п. 89. ИСБН 9780750303101 . Красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потерь энергии E ₂ - E ₁ падающего электрона, но они также заметили, что, когда энергия этого электрона превышает 4,9 эВ, ртуть начинает излучать ультрафиолетовый свет. определенной частоты ν, как определено в приведенной выше формуле. Тем самым они дали (поначалу невольно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора! Частота ν связана с длиной волны света λ формулой ν = c / λ , где c = 2,99 × 10 ⁸ м/с — скорость света в вакууме.
^ Перейти обратно: ^а ^б О преобразовании электрон-вольт в скорости электронов см. «Скорость электронов» . Практическая физика . Фонд Наффилда . Проверено 18 апреля 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Коэн, И. Бернард (1985). Революция в науке . Белнап Пресс. стр. 427–428 . ISBN 9780674767775 . В 1912 году молодой датчанин, работавший в лаборатории Резерфорда в Манчестере, предложил новую революционную модель атома. ... Что затрудняло веру в теорию Бора, так это идея дискретных и фиксированных состояний или орбит, при которых промежуточные состояния невозможны.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Франк, Дж.; Герц, Г. (1914). «О возбуждении резонансных линий ртути на длине волны 253,6 нм электронными столкновениями». Переговоры Немецкого физического общества (на немецком языке). 16 :512-517. Символ μμ — устаревшее и редкое использование для обозначения нанометра . Эта статья была перепечатана в Франк, Джеймс; Герц, Густав; Германн, Армин [на немецком языке] (1967). Испытания на электронный удар . Мюнхен: Э. Баттенберг. OCLC 9956175 .
^ Оригинальные материалы Сольвеевской конференции 1911 года, опубликованные в 1912 году. ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ И КВАНТОВ. ОТЧЕТЫ И ДИСКУССИИ Совещания, проходившего в Брюсселе с 30 октября по 3 ноября 1911 г. под эгидой М. Е. Сольве. Опубликовано ММ. П. ЛАНЖЕВЕН и г-н де БРОЛЬИ. Перевод с французского, с. 447.
^ Хейлброн, Джон Л. и Томас С. Кун. «Происхождение атома Бора». Исторические исследования в области физических наук, том. 1, Калифорнийский университет Press, 1969, стр. VI–290, стр. 1. 244 дои : 10.2307/27757291 .
^ См . модель Бора .
^ Осин, CW (10 декабря 1926 г.). «Нобелевская премия по физике 1925 года – презентационная речь» . Нобелевский фонд.
^ Хубер, Марсия Л.; Лазеке, Арно; Друг, Дэниел Г. (апрель 2006 г.). «Давление паров ртути» (PDF) . Национальный институт стандартов. п. 5. Архивировано из оригинала (PDF) 24 декабря 2016 г. Проверено 8 апреля 2014 г. НИСТИР 6643.
^ Перейти обратно: ^а ^б Брандт, Зигмунд (2008). «25. Эксперимент Франка Герца (1914 г.)» . Урожай века: открытия современной физики в 100 сериях . Издательство Оксфордского университета. п. 272. ИСБН 9780191580123 .
^ Торнтон, Стивен; Рекс, Эндрю (2012). Современная физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Cengage Обучение. стр. 154–156. ISBN 9781133103721 .
^ Паис, Авраам (1982). Тонок Господь: наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Издательство Оксфордского университета. п. 381 . ISBN 9780191524028 . Энергия E фотона является произведением постоянной Планка h и отношения c / λ скорости света c и длины волны λ .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Мелиссинос, Адриан Константин; Наполитано, Джим (2003). «1.3 Эксперимент Франка-Герца» . Эксперименты в современной физике . Профессиональное издательство Персидского залива. стр. 10–19. ISBN 9780124898516 . Эта ссылка неверно предполагает, что Франк и Герц знали о модели Бора, когда публиковали свои эксперименты. Сам Франк заметил это в интервью в конце своей жизни; видеть Холтон, Джеральд (1961). «О недавнем прошлом физики» . Американский журнал физики . 61 (12): 805–810. Бибкод : 1961AmJPh..29..805H . дои : 10.1119/1.1937623 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Демтредер, Вольфганг (2010). «3.4.4 Эксперимент Франка – Герца» . Атомы, молекулы и фотоны: введение в атомную, молекулярную и квантовую физику . Спрингер. стр. 118–120. ISBN 9783642102981 .
↑ В своем первоначальном эксперименте Франк и Герц использовали платину как в качестве катода, так и в качестве сетки. Когда для электродов используются разные материалы, в кинетическую энергию вносится дополнительный вклад помимо внешнего приложенного напряжения. Видеть Торнтон, Стивен; Рекс, Эндрю (2012). Современная физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Cengage Обучение. стр. 154–156. ISBN 9781133103721 .
^ Перейти обратно: ^а ^б В 1960 году Франк объяснил, что он и Герц не знали об идеях Бора, когда были представлены их две статьи 1914 года. Франк дал свои замечания в качестве эпилога к фильму об эксперименте Франка-Герца, снятому Комитетом по изучению физических наук (1960). Фильм доступен онлайн; видеть Байрон Л. Юц (рассказчик); Джеймс Франк (эпилог); Джек Черчилль (режиссер) (1960). Эксперимент Франка-Герца (пленка 16 мм). Образовательные услуги. 25 минут. OCLC 4949442 . Проверено 1 июля 2014 г. . Стенограмма эпилога была опубликована вскоре после создания фильма; видеть Холтон, Джеральд (1961). «О недавнем прошлом физики» . Американский журнал физики . 61 (12): 805–810. Бибкод : 1961AmJPh..29..805H . дои : 10.1119/1.1937623 .
^ Хейлброн, Джон Л. (1985). «Первые теории атома Бора» . На французском языке: AP ; Кеннеди, Пи Джей (ред.). Нильс Бор: столетний том . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. стр. 33–49 . ISBN 9780674624160 . ОСЛК 12051112 .
^ Краг, Хельге (2012). Нильс Бор и квантовый атом: модель атомной структуры Бора 1913-1925 гг . Издательство Оксфордского университета. п. 144. ИСБН 9780191630460 . Краг цитирует фразу из одной из статей Бора 1915 года, в которой он обсуждает статьи Франка и Герца 1914 года: «Похоже, что их эксперимент, возможно, согласуется с предположением, что это напряжение (4,9 В) соответствует только переходу от нормального напряжения. состояние в какое-то другое стационарное состояние нейтрального атома».
^ Челе, Марк (2011). «2.6 Эксперимент Франка-Герца» . Основы источников света и лазеров . Джон Уайли и сыновья. стр. 31–36. ISBN 9780471675228 .

Дальнейшее чтение

Базиль, Джорджио. «3B Scientific Mercury Трубка Франка – Герца U8482170» . Подборка изображений вакуумной лампы, используемой для эксперимента Франка – Герца в учебных лабораториях.
Франк, Джеймс (1965). «Преобразование кинетической энергии свободных электронов в энергию возбуждения атомов ударами» (PDF) . Нобелевские лекции по физике 1922–1941 гг . Эльзевир. Перевод Нобелевской лекции Франка, которую он прочитал 11 декабря 1926 года.
Геархарт, Клейтон А. (2014). «Эксперименты Франка-Герца, 1911–1914: экспериментаторы в поисках теории». Физика в перспективе . 16 (3): 293–343. Бибкод : 2014PhP....16..293G . дои : 10.1007/s00016-014-0139-3 . S2CID 118257144 .
Герц, Густав (1965). «Результаты испытаний электронного удара в свете теории атомов Бора» (PDF) . Нобелевские лекции по физике 1922–1941 гг . Эльзевир. Перевод Нобелевской лекции Герца, прочитанной им 11 декабря 1926 года.
Николетопулос, Питер (2012). «Современная литература по эксперименту Франка-Герца» . Архивировано из оригинала 16 января 2012 г. См. также «Современная литература по эксперименту Франка-Герца» . Николетопулос, умерший в 2013 году, был автором и соавтором нескольких статей, связанных с экспериментом Франка-Герца; эти статьи бросают вызов общепринятым интерпретациям эксперимента. Видеть Робсон, Роберт; Уайт, Рональд. «Памяти Петра Николетопулоса» (PDF) . Центр передового опыта ARC по исследованиям антиматерии и материи: годовой отчет за 2012 год . Австралийский исследовательский совет. п. 3. Архивировано из оригинала (PDF) 24 января 2014 г. Проверено 29 марта 2014 г.
Рапиор, Г.; Сенгсток, К.; Баев, В. (2006). «Новые особенности эксперимента Франка-Герца» (PDF) . Являюсь. Дж. Физ . 74 (5): 423–428. Бибкод : 2006AmJPh..74..423R . дои : 10.1119/1.2174033 . Архивировано из оригинала (PDF) 13 апреля 2014 г. Проверено 30 марта 2014 г. В оригинальной статье Франка и Герца сообщалось об анодных токах примерно до 15 В, как показано на рисунке выше. Дополнительные максимумы и минимумы возникают, когда ток измеряется до более высоких напряжений. В этой статье отмечается, что расстояние между минимумами и максимумами не составляет точно 4,9 В, но увеличивается при более высоких напряжениях и меняется в зависимости от температуры, и приводится модель этого эффекта.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с экспериментом Франка и Герца, на Викискладе?

[Rice-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Райс, Стюарт А .; Йортнер, Джошуа (2010). «Джеймс Франк 1882–1964: Биографические мемуары» . Национальная академия наук (США). п. 6. Наше понимание мира изменилось благодаря результатам этого эксперимента; возможно, это одна из важнейших основ экспериментальной проверки квантовой природы материи.

[FH1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Франк, Дж.; Герц, Г. (1914). «О столкновениях между электронами и молекулами паров ртути и их потенциале ионизации» [О столкновениях между электронами и молекулами паров ртути и их потенциале ионизации] (PDF) . Переговоры Немецкого физического общества (на немецком языке). 16 :457-467. Архивировано из оригинала (PDF) 02 февраля 2017 г. Проверено 21 января 2017 г. Перевод этой статьи приведен в Бурс, Генри А.; Моц, Ллойд (1966). «46. Квантовая теория проверена». Мир атома . Том. 1. Основные книги. стр. 766–778. OCLC 534667 . В своих первоначальных статьях Франк и Герц интерпретировали потенциал 4,9 В, связанный с неупругими столкновениями электронов и ртути, как показатель потенциала ионизации ртути. Связь с моделью атомов Бора возникла несколько позже.

[Lemmerich-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Леммерих, Йост (2011). Наука и совесть: жизнь Джеймса Франка . Перевод Энн Хентшель. Издательство Стэнфордского университета. стр. 45–50. ISBN 9780804779098 . Затем одна за другой появились две статьи Франка и Герца об измерениях испаренной ртути, которым предстояло вписать свои имена в историю физики. Первый доклад был представлен Густавом Герцем на заседании Немецкого физического общества 24 апреля 1914 года, второй — Джеймсом Франком 22 мая. (стр. 45) . Выстоять в буре времени: физик Джеймс Франк, 1882–1964 гг . Издательство истории естествознания и техники. 2007. ISBN 9783928186834 . OCLC 234125038 .

[Pais2-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Паис, Авраам (1995). «Введение в атомы и их ядра». В Брауне, Лори М .; Паис, Авраам; Пиппард, Брайан (ред.). Физика двадцатого века . Том. 1. Американский институт физики. п. 89. ИСБН 9780750303101 . Красота работы Франка и Герца заключается не только в измерении потерь энергии E ₂ - E ₁ падающего электрона, но они также заметили, что, когда энергия этого электрона превышает 4,9 эВ, ртуть начинает излучать ультрафиолетовый свет. определенной частоты ν, как определено в приведенной выше формуле. Тем самым они дали (поначалу невольно) первое прямое экспериментальное доказательство соотношения Бора! Частота ν связана с длиной волны света λ формулой ν = c / λ , где c = 2,99 × 10 ⁸ м/с — скорость света в вакууме.

[Nuffield-5] Перейти обратно: ^а ^б О преобразовании электрон-вольт в скорости электронов см. «Скорость электронов» . Практическая физика . Фонд Наффилда . Проверено 18 апреля 2014 г.

[Cohen-6] Перейти обратно: ^а ^б Коэн, И. Бернард (1985). Революция в науке . Белнап Пресс. стр. 427–428 . ISBN 9780674767775 . В 1912 году молодой датчанин, работавший в лаборатории Резерфорда в Манчестере, предложил новую революционную модель атома. ... Что затрудняло веру в теорию Бора, так это идея дискретных и фиксированных состояний или орбит, при которых промежуточные состояния невозможны.

[FH2-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с Франк, Дж.; Герц, Г. (1914). «О возбуждении резонансных линий ртути на длине волны 253,6 нм электронными столкновениями». Переговоры Немецкого физического общества (на немецком языке). 16 :512-517. Символ μμ — устаревшее и редкое использование для обозначения нанометра . Эта статья была перепечатана в Франк, Джеймс; Герц, Густав; Германн, Армин [на немецком языке] (1967). Испытания на электронный удар . Мюнхен: Э. Баттенберг. OCLC 9956175 .

[8] Оригинальные материалы Сольвеевской конференции 1911 года, опубликованные в 1912 году. ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ И КВАНТОВ. ОТЧЕТЫ И ДИСКУССИИ Совещания, проходившего в Брюсселе с 30 октября по 3 ноября 1911 г. под эгидой М. Е. Сольве. Опубликовано ММ. П. ЛАНЖЕВЕН и г-н де БРОЛЬИ. Перевод с французского, с. 447.

[9] Хейлброн, Джон Л. и Томас С. Кун. «Происхождение атома Бора». Исторические исследования в области физических наук, том. 1, Калифорнийский университет Press, 1969, стр. VI–290, стр. 1. 244 дои : 10.2307/27757291 .

[10] См . модель Бора .

[Oseen-11] Осин, CW (10 декабря 1926 г.). «Нобелевская премия по физике 1925 года – презентационная речь» . Нобелевский фонд.

[12] Хубер, Марсия Л.; Лазеке, Арно; Друг, Дэниел Г. (апрель 2006 г.). «Давление паров ртути» (PDF) . Национальный институт стандартов. п. 5. Архивировано из оригинала (PDF) 24 декабря 2016 г. Проверено 8 апреля 2014 г. НИСТИР 6643.

[Brandt-13] Перейти обратно: ^а ^б Брандт, Зигмунд (2008). «25. Эксперимент Франка Герца (1914 г.)» . Урожай века: открытия современной физики в 100 сериях . Издательство Оксфордского университета. п. 272. ИСБН 9780191580123 .

[Thornton2-14] Торнтон, Стивен; Рекс, Эндрю (2012). Современная физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Cengage Обучение. стр. 154–156. ISBN 9781133103721 .

[Pais-15] Паис, Авраам (1982). Тонок Господь: наука и жизнь Альберта Эйнштейна . Издательство Оксфордского университета. п. 381 . ISBN 9780191524028 . Энергия E фотона является произведением постоянной Планка h и отношения c / λ скорости света c и длины волны λ .

[Melissinos-16] Перейти обратно: ^а ^б ^с Мелиссинос, Адриан Константин; Наполитано, Джим (2003). «1.3 Эксперимент Франка-Герца» . Эксперименты в современной физике . Профессиональное издательство Персидского залива. стр. 10–19. ISBN 9780124898516 . Эта ссылка неверно предполагает, что Франк и Герц знали о модели Бора, когда публиковали свои эксперименты. Сам Франк заметил это в интервью в конце своей жизни; видеть Холтон, Джеральд (1961). «О недавнем прошлом физики» . Американский журнал физики . 61 (12): 805–810. Бибкод : 1961AmJPh..29..805H . дои : 10.1119/1.1937623 .

[Demtroeder-17] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Демтредер, Вольфганг (2010). «3.4.4 Эксперимент Франка – Герца» . Атомы, молекулы и фотоны: введение в атомную, молекулярную и квантовую физику . Спрингер. стр. 118–120. ISBN 9783642102981 .

[Thornton-18] В своем первоначальном эксперименте Франк и Герц использовали платину как в качестве катода, так и в качестве сетки. Когда для электродов используются разные материалы, в кинетическую энергию вносится дополнительный вклад помимо внешнего приложенного напряжения. Видеть Торнтон, Стивен; Рекс, Эндрю (2012). Современная физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Cengage Обучение. стр. 154–156. ISBN 9781133103721 .

[Franck60-19] Перейти обратно: ^а ^б В 1960 году Франк объяснил, что он и Герц не знали об идеях Бора, когда были представлены их две статьи 1914 года. Франк дал свои замечания в качестве эпилога к фильму об эксперименте Франка-Герца, снятому Комитетом по изучению физических наук (1960). Фильм доступен онлайн; видеть Байрон Л. Юц (рассказчик); Джеймс Франк (эпилог); Джек Черчилль (режиссер) (1960). Эксперимент Франка-Герца (пленка 16 мм). Образовательные услуги. 25 минут. OCLC 4949442 . Проверено 1 июля 2014 г. . Стенограмма эпилога была опубликована вскоре после создания фильма; видеть Холтон, Джеральд (1961). «О недавнем прошлом физики» . Американский журнал физики . 61 (12): 805–810. Бибкод : 1961AmJPh..29..805H . дои : 10.1119/1.1937623 .

[Heilbron-20] Хейлброн, Джон Л. (1985). «Первые теории атома Бора» . На французском языке: AP ; Кеннеди, Пи Джей (ред.). Нильс Бор: столетний том . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. стр. 33–49 . ISBN 9780674624160 . ОСЛК 12051112 .

[Kragh-21] Краг, Хельге (2012). Нильс Бор и квантовый атом: модель атомной структуры Бора 1913-1925 гг . Издательство Оксфордского университета. п. 144. ИСБН 9780191630460 . Краг цитирует фразу из одной из статей Бора 1915 года, в которой он обсуждает статьи Франка и Герца 1914 года: «Похоже, что их эксперимент, возможно, согласуется с предположением, что это напряжение (4,9 В) соответствует только переходу от нормального напряжения. состояние в какое-то другое стационарное состояние нейтрального атома».

[22] Челе, Марк (2011). «2.6 Эксперимент Франка-Герца» . Основы источников света и лазеров . Джон Уайли и сыновья. стр. 31–36. ISBN 9780471675228 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

v т и Квантовая механика
Background	Introduction History Timeline Classical mechanics Old quantum theory Glossary
Fundamentals	Born rule Bra–ket notation Complementarity Density matrix Energy level Ground state Excited state Degenerate levels Zero-point energy Entanglement Hamiltonian Interference Decoherence Measurement Nonlocality Quantum state Superposition Tunnelling Scattering theory Symmetry in quantum mechanics Uncertainty Wave function Collapse Wave–particle duality
Formulations	Formulations Heisenberg Interaction Matrix mechanics Schrödinger Path integral formulation Phase space
Equations	Dirac Klein–Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretations	Bayesian Consistent histories Copenhagen de Broglie–Bohm Ensemble Hidden-variable Local Superdeterminism Many-worlds Objective collapse Quantum logic Relational Transactional Von Neumann–Wigner
Experiments	Bell test Davisson–Germer Delayed-choice quantum eraser Double-slit Franck–Hertz Mach–Zehnder interferometer Elitzur–Vaidman Popper Quantum eraser Stern–Gerlach Wheeler's delayed choice
Science	Quantum biology Quantum chemistry Quantum chaos Quantum cosmology Quantum differential calculus Quantum dynamics Quantum geometry Quantum measurement problem Quantum mind Quantum stochastic calculus Quantum spacetime
Technology	Quantum algorithms Quantum amplifier Quantum bus Quantum cellular automata Quantum finite automata Quantum channel Quantum circuit Quantum complexity theory Quantum computing Timeline Quantum cryptography Quantum electronics Quantum error correction Quantum imaging Quantum image processing Quantum information Quantum key distribution Quantum logic Quantum logic gates Quantum machine Quantum machine learning Quantum metamaterial Quantum metrology Quantum network Quantum neural network Quantum optics Quantum programming Quantum sensing Quantum simulator Quantum teleportation
Extensions	Quantum fluctuation Casimir effect Quantum statistical mechanics Quantum field theory History Quantum gravity Relativistic quantum mechanics
Related	Schrödinger's cat in popular culture Wigner's friend EPR paradox Quantum mysticism
Category