Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Цікаве підтвердження ідеї Бора про стаціонарні стани атомів і молекул було одержано внаслідок дослідів із вивчення зіткнень з електронами; ці досліди було виконано в період 1914—1920 рр. Джеймсом Франком (1882—1964) і Густавом Герцем (1887—1963). Їм вдалося показати, що під час зіткнення електрона, який швидко рухається, з атомом або молекулою він відбивається, втрачаючи лише невелику кількість кінетичної енергії, якщо тільки його швидкість недостатньо велика, щоб вивести атом або молекулу з нормального електронного стану і створити збуджений електронний стан або навіть іонізувати даний атом чи молекулу, вибивши один з електронів.
Схему приладу, яким користувалися ці дослідники, наведено на рис. 5.10. Електрони випромінюються розжареною ниткою і під дією прискорювальної різниці потенціалів V1 рухаються із зростаючою швидкістю в напрямку сітки. Багато електронів проходять крізь отвори в сітці й ударяються об збиральну пластину, заряджену негативно щодо сітки. Ці електрони можуть рухатися проти електростатичного поля між сіткою і збиральною пластиною завдяки кінетичній енергії, набутій ними під дією прискорювального поля між ниткою розжарення і сіткою. Навіть тоді, коли в просторі між ниткою і сіткою є атоми або молекули газу, електрони можуть відбиватися від них без значної втрати енергії.
Якщо ж прискорювальна напруга V1 досить велика і набута електроном кінетична енергія перевищує енергію збудження атома або молекули, з якими електрон може зіткнутися, то під час зіткнення з ним ці атоми або молекули можуть перейти з нормального стану в перший збуджений стан. Після зіткнення кінетична енергія електрона зменшиться на величину, що відповідає енергії збудження атома або молекули, з якими він зіткнувся. Решти кінетичної енергії може виявитися недостатньо, щоб електрон зміг подолати протилежно напрямлене поле й досягти пластини; у цьому разі струм, який реєструє гальванометр, з'єднаний із пластиною, падатиме в міру збільшення прискорювальної різниці потенціалів (між сіткою і пластиною).
Рис. 5.10. Схема приладу, використаного Франком і Герцем для вивчення зіткнень електронів. 1 — нитка розжарення; 2 —- сітка; 3 — пластина; 4 — гальванометр.
Так, якщо в трубці є атоми Гідрогену, то струм, який реєструє гальванометр і який виникає внаслідок потрапляння електронів на пластину, не змінюватиметься доти, доки прискорювальний потенціал не досягне 10,2 В. За такої прискорювальної різниці потенціалів електрони під час проходження поля між ниткою розжарення і сіткою набувають за рахунок поля точно таку кількість енергії, яка потрібна, щоб перевести атом Гідрогену з нормального стану в перший збуджений стан, що пов'язано зі зміною квантового числа від n= 1 до n = 2. При цьому спостерігається падіння струму в колі, до якого ввімкнено пластину. Напруга, що дорівнює 10,2 В, називається критичною напругою або критичним потенціалом для атомарного водню. Можна також спостерігати й інші критичні потенціали, що відповідають іншим збудженим станам, причому найвищий потенціал дорівнює 13,60 В. Ця критична напруга (13,60 В) відповідає енергії 13,60 еВ, потрібній для повного відокремлення електрона від атома Гідрогену; іншими словами, вона відповідає енергії, потрібній для перетворення атома Гідрогену в нормальному стані на протон і електрон, тобто для видалення з нього електрона. Напруга 13,60 В називається потенціалом іонізації атома Гідрогену, а кількість енергії 13,60 еВ називається енергією іонізації атома Гідрогену.
Розгляд енергії іонізації атомів буде продовжено в підрозд. 6.9.