Файл: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf

фик зависимости числа сцинтилляций в минуту от толщины фольги. В число сцинтилляций вводилась поправка на распад источника во времени. «Для всех исследованных металлов точки ложились на прямые линии, проходящие через начало координат. Следовательно, эксперимент дока­ зал, что для малых толщин вещества рассеяние пропорци­ онально толщине».

Теория Резерфорда предсказывала также, что рассея­ ние а-частиц, обладающих различными скоростями, должно быть обратно пропорционально четвертой степени скорости. Гейгер и Марсден проверили также и это предсказание теории и нашли, что и оно справедливо. В итоге они закон­ чили свою статью следующими словами: «Мы полностью подтвердили теорию проф. Резерфорда».

Таким образом, реальность атомного ядра была твердо установлена.

ЛИТЕРАТУРА

Модель атома Томсона описана в статье

Thomson J . J ., Philosophical Magazine, 7, 237—265 (1904). Модель Нагаоки кратко изложена в статье

N agaoka Я ., Nature, 69, 392—393 (1904).

Последняя статья включена в список литературы, так как она,возможно, оказала влияние на исследования Резерфорда. Предварительные экспе­ рименты описаны в статьях

Geiger Я ., Proceedings of the Royal Society of London, Series A, 81,

The Collected Papers of Lord Rutherford of Nelson, ed. J . Chadwick, Vol. 2, London, 1963, p. 238—254.

Она вошла в книгу

The World of the Atom, p. 707—722.

Решающая экспериментальная работа описана в статье

Geiger Я ., M arsden Е ., Philosophical Magazine, 25,604—623 (1913) и включена в книгу

The World of the Atom, p. 722—733.

6

СТОЛКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ С АТОМАМИ

Исследования свойств атомов продолжались с неосла­ бевающим интересом. Среди других фактов было из­ вестно, что если атому сообщить достаточное количество энергии, то один или несколько электронов высвободятся из атомной структуры и атом превратится в ион. Если атом получает энергию в результате столкновения с падающим на него извне электроном, то ее можно определить, измеряя разность потенциалов, сообщающую ускорение электрону. Значение разности потенциалов, необходимое для иониза­ ции атома, называется ионизационным потенциалом. Иони­ зационный потенциал имеет особое значение при рассмот­ рении явлений электрического разряда в газах. Поэтому в начале текущего столетия был выполнен ряд исследований по измерению ионизационного потенциала для различных газов. Однако большей частью эти измерения были косвен­ ными и основывались на сомнительных гипотезах, так что величины, полученные различными авторами для одного и того же вещества, могли значительно отличаться друг от

друга.

Среди исследователей, работавших в этой области, были Джеймс Франк и Густав Герц. Работая в Берлинском уни­ верситете, они измерили для нескольких элементов ряд ве­ личин, которые, как они полагали, представляли собой ионизационные потенциалы. Позднее выяснилось, что в дей­ ствительности они измеряли не ионизационный потенциал, а некоторую минимальную порцию энергии, которая может быть поглощена атомом данного элемента, и что эта мини­ мальная порция энергии имеет отношение к оптическому спектру элемента. За эту работу им была присуждена Но­ белевская премия в 1925 г.

Первоначально их метод исследований заключался в сле- { дующем: электроны, испускавшиеся нагретой нитью нака­

и собирающим электродом (коллектором) и на 10 В превы­ шающей V. Разность потенциалов V можно было регулиро­ вать и измерять. В пространстве между сеткой и коллекто­ ром электроны могли сталкиваться с атомами газа. Из-за наличия второй разности потенциалов электроны ни при каких условиях не могли достичь коллектора. Вместе с тем если разность потенциала V была больше ионизационного потенциала, то, как полагали исследователи, электроны могли ионизовать некоторое количество атомов при соударе­ нии с ними; в таком случае электрическое поле ускорит положительные ионы по направлению к коллектору, кото­ рый, следовательно, зарегистрирует ток. Ионизационный потенциал в этом случае будет равен величине V, при кото­ рой ток начнет течь через коллектор. Этим методом Франк и Герц измерили для нескольких газов величину, которая, как им казалось, представляет собой ионизационный потен­ циал.

Они намеревались проверить предполагаемую корреля­ цию ионизационных потенциалов с радиусами атомов. С этой целью они решили выполнить измерения на металлах, атомы которых имели относительно большие радиусы. Они интуитивно чувствовали, что разогрев аппаратуры до более высокой температуры, необходимой для образования паров металлов, может стать причиной ошибок: по-видимому, регистрировавшиеся ими токи были настолько малы, что црнижение сопротивления стеклянного баллона из-за повы­ шения температуры привело бы к такому возрастанию блуж­ дающих токов, что они могли замаскировать ожидаемый эффект. В связи с этим Франк и Герц сконструировали новую модель аппаратуры, представленную на фиг. 6.1. Сетка N, ранее располагавшаяся слишком близко (5 мм) от нити накала, теперь отстояла на 4 см от нее; коллектор G был помещен на расстоянии только 1 или 2 мм от сетки, вместо прежних 2,5 см. Ускоряющую разность потенциалов между нитью накала и сеткой по-прежнему можно было регулировать и измерять; обратная разность потенциалов между сеткой и коллектором была теперь небольшой и постоянной.

N

Л

Фиг. 6.1. Расположение электродов в опытах Франка и Герда по измерению предполагаемых ионизационных потенциалов. [Verhandl.

Deut. phys. Ges., 16, 459 (1914), Fig. 1.]

Действие этого устройства было описано Франком и Герцом в статье, опубликованной в 1914 г. «Пока ускоряю­ щая разность потенциалов меньше, чем замедляющая, ток [на коллектор] равен нулю. Как только ускоряющая раз­ ность потенциалов превысит замедляющую, через коллек­ тор начнет течь ток, который будет увеличиваться до тех пор, пока ускоряющая разность потенциалов не станет равной ионизационному потенциалу». Основанием для та­ кого утверждения служило следующее: в ускоряющей об­ ласти электроны могли столкнуться с атомами газа. Но предполагалось, что пока кинетическая энергия электрона меньше энергии ионизации, столкновения между электро­ нами и атомами будут упругими1*. При упругом столкно­ вении с атомом электрон теряет незначительную часть своей энергии s) и таким образом еще может преодолеть препят­

Напомним, что столкновения классифицируются как упругие или неупругие в соответствии с изменением начальной кинетической энергии. Если сумма кинетических энергий двух тел до соударения равна сумме кинетических энергий этих тел после соударения, хотя и распре­ делена между ними по-другому, то столкновение является упругим. Если же часть кинетической энергии пойдет на изменение внутреннего состояния одного из столкнувшихся тел, то такое столкновение яв­ ляется неупругим.

2) Легко убедиться, что если тело массой т сталкивается с телом массой М, находящимся в покое, и если столкновение будет упругим, то первое тело потеряет часть своей энергии, которая составит самое большее 4 /?іМ/(М+/п)*2; при т М эта величина будет близка к 4 тіМ .

ствующее действие второй разности потенциалов и достиг­ нуть коллектора. Рассматриваемое предположение будет об­ суждаться ниже, но тогда оно казалось разумным в свете более ранних экспериментов. Далее в статье говорилось:

В этот момент электроны вблизи сетки будут претерпевать неупру­ гие столкновения с атомами и тем самым ионизировать их. Поскольку эти электроны и электроны, освободившиеся в результате ионизации, пройдут на своем пути к сетке лишь очень малую часть ускоряющей разности потенциалов, то они проникнут через сетку с небольшой ско­ ростью и не будут в состоянии двигаться далее против тормозящегополя. Таким образом,- как только ускоряющая разность потенциалов с-танет больше потенциала ионизации, ток гальванометра упадет до нуля.

Это рассуждение основано на одном предположении. Именно, предполагается, что при высокой энергии электро­ на, достаточной для того, чтобы могло осуществиться не­ упругое столкновение, вероятность такого столкновения не очень мала по сравнению с единицей. Это предположение, казалось, также подтверждается выполненными ранее ра­ ботами. Далее Франк и Герц пишут:

Если продолжать увеличивать ускоряющую разность потенциалов, то точка, в которой электроны претерпевают неупругие столкновения, будет перемещаться от сетки внутрь (к нити накала). Таким образом, электроны, имеющиеся после неупругих столкновений, проходят по пути к сетке разность потенциалов, равную разности между ускоряющим и ионизационным потенциалами. Как только эта разность становится больше постоянного тормозящего потенциала между N и G, электроны снова обретают способность двигаться против тормозящего поля, и ток гальванометра снова начинает расти. Поскольку в результате ионизации количество электронов увеличивается, ток в действительности возра­ стет до большей величины, чем в первый раз. Однако, когда ускоряю­ щая разность потенциалов станет равной удвоенному ионизационному потенциалу, электроны будут во второй раз претерпевать неупругие столкновения .вблизи сетки. Поскольку электроны, испытывающие неупругое столкновение, теряют всю свою энергию, а вновь возникшие электроны также имеют небольшую скорость, ни те, ни другие не смогут преодолеть тормозящую разность потенциалов. Таким образом, как только ускоряющая разность потенциалов станет больше удвоенного ионизационного потенциала, ток гальванометра снова снизится до нуля. Поскольку подобное явление повторяется каждый раз, когда ускоряю­ щая разность потенциалов становится равной целому кратному иониза­ ционных потенциалов, следует ожидать, что кривая будет иметь ряд максимумов возрастающей величины, расстояние между которыми равно ионизационному потенциалу.

ГЛАВА 6

Фиг. 6.2. Кривая зависимости тока на коллектор от ускоряющей разности потенциалов; видно, что максимумы расположены через рав­ ные интервалы. (Замечание: Из-за совокупного влияния нескольких факторов расстояние между максимумами несколько отличается от расстояния между первым максимумом и началом координат.) [Verhandl. Deut. phys. Ges., 16, 462 (1914), Fig. 3; для большей четкости

рисунок отретуширован.)

Именно такие кривые и были получены; одна из этих кривых приводится в качестве примера на фиг. 6. 2. Макси­ мумы оказались вполне острыми (при чтении статьи созда­ ется впечатление, что они оказались даже более острыми, чем ожидали авторы); Франк и Герц выразили уверенность, что точность их результатов составляет 0,1 В, т.. е. намного выше точности старого метода, равной 1 В. Величина иони­ зационного потенциала, полученная для ртути, составляла 4,9 В. Франк и Герц в целях сравнения со старым методом вновь измерили величину ионизационного потенциала для гелия и нашли, что оба метода дают весьма удовлетвори­ тельное согласие,