Досліди Д. Франка і Г. Герца

Німецькі фізики Д. Франк і Г. Герц експериментально довели дискретність значень енергій атомів, вивчаючи методом затримуючого потенціалу зіткнення електронів з атомами газів. Схема їх установки наведена на рис. 4.1.

Трубка, яка заповнена парами ртуті при низькому тиску (~130 Па), містить катод K, анод A і сітку C. Електрони, які вилітають з катода внаслідок термоелектронної емісії, прискорюються різницею потен­ціалів U, що прикладена між катодом і сіткою. Цю різницю потенціалів можна змінювати за допомогою потенціометра П. Між сіткою С і анодом А прикладена гальмівна різниця потенціалів порядку 0,5 В. Д. Франк і Г. Герц досліджували залежність сили струму І в колі анода від напруги U між катодом і сіткою. Сила струму вимірювалась гальванометром G, напруга – вольтметром V.

Електрони в області між катодом і сіткою співударяються з атомами парів ртуті. Ті електрони, які після співударів мають достатню енергію, щоб подолати гальмівне поле, досягають анода. При непружних ударах електронів з атомами ртуті останні можуть збуджуватися. Згідно з теорією Бора кожен з атомів ртуті може отримати лише певну енергію, переходячи при цьому в один із збуджених станів. Тому, якщо в атомах дійсно існують стаціонарні стани, то електрони, стикаючись з атомами ртуті, повинні втрачати енергію дискретно, певними порціями, які дорівнюють різниці енергій відповідних стаціонарних станів атома.

При збільшенні напруги до 4,86 В, сила анодного струму зростає монотонно, проходить через максимум (4,86 В), потім різко падає і зростає знову (рис. 4.2). Наступні максимуми спостерігаються при 2·4,86 B і 3·4,86 B.

Доки напруга між катодом K і сіткою C менша, ніж 4,86 В, то електрони, зустрічаючи на своєму шляху атоми ртуті, взаємодіють пружно. При eU=4,86 eB енергія електрона достатня, щоб викликати непружний удар, при якому електрон віддає атому ртуті всю кінетичну енергію, збуджуючи перехід одного з електронів атома на вищий енергетичний рівень, тобто атом переходить у збуджений стан. Електрони, які втратили свою кінетичну енергію, уже не зможуть подолати гальмівного поля і досягнути анода. При значеннях енергій, кратних 4,86 еВ, електрони можуть 2,3,...рази співударятися непружно з атомами ртуті, втрачаючи при цьому повністю свою енергію, і не долетять до анода.

Досліди Франка і Герца показали, що електрони при зіткненні з атомами ртуті передають атомам лише певні порції енергії, причому 4,86 еВ – найменша можлива порція енергії, яка може бути поглинена атомом ртуті в основному енергетичному стані, що експериментально підтверджує постулати Бора.