Обычно в макроскопическом источнике излучения, среди множества его атомов, присутствуют атомы, возбужденные различным образом, а потому излучение имеет сложный спектр. Для проверки теории Бора важно было показать, что атомам можно сообщать только определенную энергию и наблюдать их излучение с частотой, соответствующей поглощенной энергии. Это было показано в классических опытах Франка и Герца, суть которых такова. В электронной лампе, содержащей пары ртути при низком давлении, имеются (рис. 14.1) накаливаемый катод К, служащий источником электронов, анод А, выполненный в виде сетки, и коллектор Ki- Ускоряемые в пространстве катод—анод электроны движутся затем к коллектору, и создаваемый ими ток контролируется прибором. Непрерывно изменяя потенциал анода U, снимают вольт-амперную характеристику I=f(U); на ней обнаруживается ряд провалов тока. Кроме того, в опыте сразу же после первого провала возникает ультрафиолетовое излучение ртутных паров (λ=253,7 нм).
Рис. 14.1
Объяснение заключается в следующем. До тех пор пока энергия электронов меньше 4,9 эВ, соударения их с атомами ртути происходят упруго. Так как масса атома в сотни тысяч раз превосходит массу электрона, то электроны при этом практически не теряют энергии и, преодолевая тормозящее действие поля на участке анод—коллектор, достигают коллектора. При энергии 4,9 эВ соударение (если оно происходит) становится неупругим. Электрон отдает энергию атому ртути, а потому ток уменьшается. По мере роста ускоряющего напряжения ток снова растет, так как электроны, претерпевшие одно неупругое соударение, сохраняют достаточную для преодоления тормозящего поля энергию и опять участвуют в создании тока. При напряжении 9,8 В электроны могут вновь испытать неупругое соударение. Однако электронов, испытавших двукратное неупругое соударение, относительно мало, поэтому второй провал в характеристике будет не. таким глубоким, как первый.
Атом, возбужденный электронным ударом, может излучить фотон с частотой
которой отвечает длина волны
λ≈ 250нм,
хорошо соответствующая опыту.
Может возникнуть вопрос: почему в этом опыте не наблюдается поглощения меньшей энергии, отвечающей более длинным волнам, имеющимся в спектре ртути? Дело в том, что линия λ0 является самой интенсивной, т. е. вероятность процессов, описанных выше, наибольшая. Поглощение и излучение, отвечающие другим линиям, гораздо менее вероятны и просто ускользают от наблюдения. В других опытах было показано, что таким методом можно получать все новые и новые линии в спектре излучения газа.
Для проверки гипотезы Паули о двух возможных ориентациях собственного магнитного момента электрона во внешнем поле Штерн и Герлах произвели следующий опыт: пучок атомов серебра, испаряемых нагретой проволокой, пролетал через резко неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита. Для получения сильной неоднородности поля один из полюсов был выполнен в форме острого ножа. Если поле отсутствует, атомы серебра оседают на некоторой поверхности, давая резкий след. При создании поля след раздваивается (а не размывается, что было бы при произвольной ориентации собственных магнитных моментов), что и подтверждает принцип Паули. Опыт проводился с серебром, так как в нормальном состоянии магнитный момент атома серебра определяется только собственным магнитным моментом единственного внешнего электрона. Разумеется, с пучком свободных электронов опыт бы не удался, так как для свободных электронов магнитный момент пространственно не квантуется.