Интересное подтверждение идеи Бора о стационарных состояниях атомов и молекул было получено в результате проведения опытов по изучению соударений с электронами; эти опыты были выполнены в период 1914—1920 гг. Джеймсом Франком (1882—1964) и Густавом Герцем (1887—1963). Им удалось показать, что при столкновении быстро движущегося электрона с атомом или молекулой он отражается, теряя лишь небольшое количество кинетической энергии, если только его скорость недостаточно велика, чтобы вывести атом или молекулу из нормального электронного состояния и создать возбужденное электронное состояние или даже ионизировать данный атом или молекулу, выбив один из электронов.
Схема прибора, которым пользовались эти исследователи, приведена на рис. 5.10. Электроны испускаются раскаленной нитью и под действием ускоряющей разности потенциалов V1 движутся с нарастающей скоростью в направлении сетки. Многие электроны проходят сквозь отверстия в сетке и ударяются о собирающую пластину, заряженную отрицательно по отношению к сетке. Эти электроны могут двигаться против электростатического поля между сеткой и собирающей пластиной благодаря кинетической энергии, приобретенной ими под действием ускоряющего поля между нитью накаливания и сеткой. Даже в том случае, если в пространстве между нитью и сеткой имеются атомы или молекулы газа, электроны могут отражаться от них без значительной потери энергии.
Если же ускоряющее напряжение V1 достаточно велико и приобретенная электроном кинетическая энергия превышает энергию возбуждения атома или молекулы, с которыми электрон может столкнуться, то при столкновении с ним эти атомы или молекулы могут перейти из нормального состояния в первое возбужденное состояние. После соударения кинетическая энергия электрона уменьшится на величину, соответствующую энергии возбуждения атома или молекулы, с которыми он столкнулся. Оставшейся кинетической энергии может оказаться недостаточно, чтобы электрон мог преодолеть противоположно направленное поле и достигнуть пластины; в этом случае ток, регистрируемый гальванометром, соединенным с пластиной, будет падать по мере увеличения ускоряющей разности потенциалов (между сеткой и пластиной).
Рис. 5.10. Схема прибора, использованного Франком и Герцем для изучения соударений электронов. 1 — нить накаливания; 2 —- сетка; 3 — пластина; 4 — гальванометр.
Так, если в трубке имеются атомы водорода, то регистрируемый гальванометром ток, возникающий благодаря попаданию электронов на пластину, не изменится до тех пор, пока ускоряющий потенциал не достигнет 10,2 В. При такой ускоряющей разности потенциалов электроны при прохождении поля между нитью накаливания и сеткой приобретают за счет поля точно такое количество энергии, которое необходимо, чтобы перевести атом водорода из нормального состояния в первое возбужденное состояние, что связано с изменением квантового числа от n= 1 до n = 2. При этом наблюдается падение тока в цепи, в которую включена пластина. Напряжение, равное 10,2 В, называется критическим напряжением или критическим потенциалом для атомарного водорода. Можно также наблюдать и другие критические потенциалы, соответствующие другим возбужденным состояниям, причем самый высокий потенциал равен 13,60 В. Это критическое напряжение (13,60 В) соответствует энергии 13,60 эВ, необходимой для полного отделения электрона от атома водорода; иными словами, оно соответствует энергии, необходимой для превращения атома нормального водорода в протон и электрон, т. е. для удаления электрона из него. Напряжение 13,60 В называется потенциалом ионизации атома водорода, а количество энергии 13,60 эВ называется энергией ионизации атома водорода.
Рассмотрение энергии ионизации атомов будет продолжено в разд. 6.9.