На освобождение электрона от связи с атомным ядром, вследствие чего и происходит образование положительного иона, необходимо затратить определенное количество энергии. Энергия, израсходованная на отрыв электрона, называется Работа ионизации, выраженная в электронвольтах, называется (электронвольт-единица энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1 В). Если сообщить связанному электрону газовой молекулы или атома некоторое количество дополнительной энергии, то электрон перейдет на новую орбиту с более высоким энергетическим уровнем, а молекула или атом будут находиться в возбужденном состоянии. Количество энергии, выраженное в электронвольтах, которое необходимо затратить для возбуждения атома или молекулы газа, называется Возбужденное состояние атома или молекулы газа является неустойчивым, и электрон может снова возвратиться на стационарную орбиту, а атом или молекула перейдет в нормальное невозбужденное состояние. Энергия возбуждения при этом передается в окружающее пространство в форме светового электромагнитного излучения.
Величина потенциала ионизации и возбуждения зависит от природы атома. Наименьший потенциал ионизации (3,9 эВ) имеют пары цезия, а наибольший (24,5 эВ) наблюдается у газа гелия. У щелочноземельных металлов (цезия, калия, натрия, бария, кальция) связь между электронами и ядром невелика, поэтому они имеют наименьшие потенциалы ионизации, следовательно, на возбуждение и работу выхода электрона потребуется затратить меньше энергии, чем у железа, марганца, меди и никеля. Элементы, имеющие меньшие потенциалы ионизации и возбуждения, чем свариваемый металл, вводят в состав электродных покрытий, чтобы повысить стабилизацию дугового разряда в газах. Количество энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла или жидкого тела, называется и выражается в электронвольтах.
Потенциал ионизации атома — минимальная разность потенциалов U, к-рую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома.
 Первый потенциал ионзизации атома — та работа, которую надо затратить для удаления первого электрона из атома. |
Соответственно различаю второй, третий и т.д. потенциалы ионизации.
Энергия ионизации
Чаще употребимое понятие — энергия ионизации E. Это минимальная энергия, которую надо затратить для удаления электрона из атома.
Потенциал ионизации U тесно связан с энергией ионизации соотношением:
где е-элементарный электрический заряд.
Энергия ионизации атома является внутренним свойством частицы и не зависит от способа ионизации, тогда как потенциал ионизации, можно сказать,- характеристика исторически первого метода ионизации.
Энергия ионизации атома, выраженная в эВ (электроновольтах), численно совпадает с потенциалом ионизации атома, выраженным в В (вольтах).
Согласно теории Бора, атом может находиться только в определенных стационарных состояниях с дискретными значениями энергии Е, Е1, Е2. . Поглощение или излучение энергии происходит лишь при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. При этом поглощается или испускается квант света, частота которого определяется из условия
При отсутствии каких-либо воздействий атом находится в состоянии с минимальной энергией Е . Для перехода в более высокое энергетическое состояние атом необходимо возбудить, т.е. сообщить ему определенную порцию энергии. Это возбуждение может быть осуществлено различными способами. Франк и Герц использовали для этой цели столкновения с атомами свободных электронов. Принципиальная схема опыта представлена на рис. 6.
Трехэлектродная трубка, аналогичная вакуумному триоду, заполнялась разреженными парами ртути. Вылетающие из катода электроны ускорялись положительным потенциалом V, наложенным на сетку С. На анод А подавался потенциал, несколько меньший, чем на сетку, так что между С и А создавалось задерживавшее поле с напряжением Uз порядка 0.1 – 0.5 В. Измерялась зависимость величины анодного тока I от ускоряющего потенциала U. Результаты измерения приведены на рис. 7.
Кривая I(U) состояла из ряда максимумов, первый из которых приходился на 4.9 В. Расстояние между максимумами оказалось одинаковым и равным также 4.9 В. Объяснение этих закономерностей заключается в cледующем.
Ускоренные электроны сталкиваются с атомами ртути в пространстве между катодом и сеткой. Если их энергия меньше 4.9 эВ, то столкновения носят упругий характер, т.е. не сопровождаются передачей атому какой-либо энергии. Электроны после таких столкновений способны преодолеть задерживающее поле Uз и достигнуть анода. Поэтому при увеличении ускоряющего потенциала от нуля ток возрастает по закону, характерному для термоэлектронных приборов. Это соответствует участку АВ на рис. 7. Когда кинетическая энергия электронов достигает 4.9 эВ, их столкновения с находящимися у сетки атомами становятся неупругими. Электроны передают всю свою энергию атомам, и, потеряв скорость, задерживаются встречным полем и не попадают на анод. Величина анодного тока резко уменьшается, что соответствует участку ВС на рис. 7. При дальнейшем повышении напряжения U энергия 4.9 эВ достигается электронами уже перед сеткой на некотором расстоянии от нее, например, в точке М. Теперь электроны, сталкиваясь неупруго с атомами, теряют энергии уже в этой точке. Но на остатке пути, т.е. вдоль пути МC, они снова ускоряются и могут преодолеть задерживающую разность потенциалов Uз. Ток вновь возрастает (участок СD на рис.7). Когда ускоряющий потенциал достигает 9.8 В, электроны на своем пути сталкиваются неупруго с атомами ртути дважды: первый раз посередине между катодом и сеткой, и второй раз — непосредственно перед сеткой. В результате ток снова начинает падать.
Эти опыты показали, что минимальная энергия, которую электрон может передать атому ртути, в результате неупругого столкновения, составляет величину 4.9 эВ. Следовательно, у атома ртути есть, по крайней мере, два энергетических состояния: невозбужденное (или основное) с энергией E и первое возбужденное состояние с энергией E1 = Е + 4.9 эВ. Ускоряющий потенциал, при котором энергия электронов становится достаточной для перевода атома в первое возбужденное состояние, называется первым потенциалом возбуждения. Для атома ртути его величина составляет 4.9 В.
Кроме первого у атома ртути имеются и другие, более высокие энергетические состояния Е2, Е3, … и соответствующие потенциалы возбуждения. Они также могут быть найдены при помощи метода электронных соударений. Однако экспериментальная методика для этой цели должна быть видоизменена.
Таким образом, описанный опыт дал непосредственное подтверждение первого постулата Бора о дискретности энергетических состояний атома. В последующих опытах Франк и Герц попытались проверить и второй постулат, или условие частот (1). Они исходили из того, что атомы ртути, получив энергию 4.5 эВ, переходят в возбужденное состояние, и при обратном переходе в нормальное состояние должны излучать кванты света с энергией, в точности разной 4.9 эВ. Длина волны такого излучения должна составлять 2533 Ǻ. В 1921 г. Франк и Герц действительно обнаружили свечение паров ртути при бомбардировке их электронами с энергией 4.9 эВ. Спектр излучения состоят из одной монохроматической линии с длиной волны 2537 Ǻ.
Признанием исключительной важности опыта Франка и Герца для paзвития атомной физики можно считать присуждение в 1925 авторам Нобелевской премии.
Загрузка...
