- 171 -
19. Demonstrace Franokova-Hertzova pokusu'
Pokusem Franckovým a Hertzovým lze ukázat, že atom energii pohlcuje jen po zcela určitých dávkách (po kvantech).
J. Franck a G. Hertz bombardovali atomy zředěného plynu elektrony a sledovali změny energie elektronů, které nastaly v důsledku interakce elektronů a atomů. Měnitelným napětím, přiváděným na příslušné elektrody, urychlovali volné elektrony a rozdělení rychlosti elektronů po srážkách zjišíovali,metodou brzdicího potenciálu. Z pokusu vyplynulo, že při rychlosti elektronu menší, než je jistá kritická rychlost, je srážka pružná. Vzroste-li rychlost elektronu na zmíněnou kritickou hodnotu, nastane srážka nepružnáj při ní elektron ztrácí svou energii a předá ji atomu, který přejde z normálního stavu do vzbuzeného.
následující návrat ze vzbuzeného stavu do normálního je spojen_____
s vyzářením světelného kvanta (fotonu).
Vzhledem k důležitosti tohoto pokusu vyvinulo několik zahraničních firem názorné pomůcky, které umožňují Franckův a Kertzňv pokus jednoduše realizovat a reprodukovat i na středních školách. Za zvláště zdařilou lze považovat soupravu firmy PHYYťE, jejíž základní část tvoří trubice s panelem a nasouvatelná elektrická pícka (obr. 120). Trubice je opatřena třemi elektrodami a kapkou rtuti. Principiální schéma trubice a její zapojení je patrné z obr. 121.
Vyhříváme-li trubici v elektrické pícce při tepiotě kolem 200 °0, vznikne v trubici (ve shodě s diagramem na obr. 122) potřebný tlak rtuíových par, který je o něco větší než 10 torrů+\ Jako vodítko pro velikost střídavého napětí, které připojíme k pícce, slouží pomocný diagram na obr. 123.
K trubici připojíme žhavicí napětí   1 Viv   a mezi mřížku M
+)   Tlak 10 torrů představuje hranici mezi oblastí subatmosfé-rickeho tlaku a nízkého tlaku (tlak 10     torrů představuje hranici mezi oblastí nízkého a velmi nízkého tlaku).
Obr. 121
173 -
Obr. 122 Obr. 123 -
a jímací elektrodu   A   připojíme brzdicí stejnosměrné napětí 1,3 V . Mezi katodu   K   a mřížku   M   připojíme regulovatelné stejnosměrné napětí, kterým budeme urychlovat elektrony emitované žhavenou katodou.
Při malém urychlujícím napětí (měříme je připojeným voltmetrem) je rychlost elektronů malá. Po průchodu mřížkou se elektrony dostávají do brzdicího elektrického pole, vytvořeného brzdicím napětím mezi mřížkou a jímací elektrodou. Urychlující napětí postupně zvyšujeme (zvyšuje se kinetická energie elektronu) a sledujeme proud v obvodu se stejnosměrným měřicím zesilovačem, který jsme zapojili jako nanoampérmetri navržený měřicí zesilovač popisujeme v kapitole 13.
- 174 -
Při průchodu elektronů parami rtuti bude v prostoru mezi katodou a mřížkou docházet ke srážkám b atomy rtuti. Pokud energie elektronů nedosáhne určité hodnoty, bude proud postupně vzrůstat, což svědčí o tom, že elektrony dopadly na jímací elektrodu, aniž došlo ke srážkám, nebo že šlo o srážky pružné. Při určité energii elektronů nastanou srážky nepružné, při nichž elektrony předávají atomům energii. Vhodnou volbou brzdicího napětí můžeme dosáhnout toho, že 'elektrony, které ztratily svou energii, nedopadnou na jímací elektrodu; budou zachyceny mřížkou, což se projeví poklesem proudu. Zvyšujeme-li dále urychlující napětí, mají elektrony po nepružných srážkách ještě dal3í přebytek energie k překonání brzdicího pole. Při dostateč ne velkém urychlujícím napětí může po. první nepružné srážce dojít na zbývající cestě k mřížce k další jedné nebo více nepruž-___.___nýja.-Srážkám.    . ' ...... .    \ . ______
Jako výsledek závislostí proudu na napětí urychlujícím elektrony (při konstantním brzdicím napětí) obdržíme graf na obr. 124 , v němž se objeví několik periodicky se opakujících, proudových maxim a minim. Graf nás informuje o nepružných srážkách.
Rozhodující pro naše úvahy jsou rozdíly mezi polohami prvního a dalších proudových maxim nebo rozdíly mezi vzájenaiýnd polohami proudových miniini proudová ma-rimn nebo minima vznikají vždy po skocích napětí 4,9 V . Není rozhodující, že graf je ve skutečnosti poněkud posunut o kontaktní napětí, které je vyvoláno tím, že mřížka a katoda jsou z různých materiálů (první maximum se proto neobjeví při   4,9 V). Kontaktní napětí posunuje celou Franckovu - Hertzovu křivku, avšak nemění intervaly mezi polohami proudových maxim a minim.
Z grafu lze vyhodnotit, že vždy jen po zvýšení urychlující ho napětí o 4,9 V získávají elektrony takovou energii, kterou atomy rtuti absorbují.
Pro atomy rtuti má tedy zvláštní význam energie 4,9 eV. Toto kvantum energie odevzdají elektrony ze své celkové energie atomům rtuti i při opakovaných nepružných srážkách. (Většina
- 175 -
.elektronů, dosáhnuvších energie 1 x4,9eV,2x4,9eV,
3x4,9 e V , se při uvedených provozních podmínkách trubice
zúčastní nepružných srážek.)
Energie 4,9 eV představuje hodnotu energetického kvanta,
při jehož pohlcení přejde atom rtuti z normálního stavu ( ve
spektroskopii se označuje   6   5Q ) do stavu vzbuzeného ( 6 P^),
jehož energie je vyšší o 4,9 eV. Atomy zůstávají ve vzbuzeném
stavu jen několik sekund a vracejí se do normálního stavu.
Při přechodu se stavu vzbuzeného do stavu normálního vydali
vají atomy rtuti světelná kvanta o kmitočtu   11,6 . 10    Hz , resp. o vlnové délce 254 nm . Příslušná monochromatická Sára leží tedy v ultrafialové části spektra.
Pochody v,trubici nemusí být při nepříznivých podmínkách -tak jednoduché; Při jedné srážce, by mohl být' a^óni ve stavu ■-ve-busenéra, při -další _by mohl být. izolován^^_(izoJ..ačnjĹ potenciál atonú rtuti je 10,4 V). I když při urychlujícím napětí do 30 V je pravděpodobnost vzbuzeného stavu mnohem větší, mohlo by k néf žádoucí ionizaci dojít zejména při velkém žhavicím napětí.
Aby provedení pokusu bylo usnadněno a byla zajištěna jeho názornost, vybavila firma PHYV7Í; Franckovu-Hertzoyu trubici panelem £30) s funkčním schématem příslušných obvodů se zdířkami pro přehledné připojení vnějších zdrojů á měřicích přístrojů (obr. 125). Vhodnou velikost žhavicího napětí (kolem 1 V rj }, které připojíme na střední pár zdířek, vyregulujeme potenoio-metrem na panelu a kontrolujeme je voltmetremj voltmetr připojíme na zdířky, označené na obr. 125 písmeny   a , b   (ve schématu, není' kvůli přehlednosti nakreslen). Ea levý pár zdířek připojíme jako zdroj brzdicího napětí jeden článek ze školní baterie niklokadmiových akumulátorů. Proud, který bude procházet jímací elektrodou, ukáže indikační měřidlo   M , připojené na výstup stejnosměrného měřícího zesilovače. Na pravý pár zdířek připojíme stejnosměrné napětí 30 V z eliminátoru   Tesla M 110 nebo Teela 052 ; potenciometrem, umístěným nad zdířkami, nastavujeme'napětí pro urychlování elektronů emitovaných žhavenou katodou.
- 177 -
Před vlastním zahájením pokusu uzemnime kovovou část elektrické pícky (připojení uzemňovacího vodiče k panelu je ve echématu na obr. 125 znázorněno šipkou) a Franckovu - Hertzovu trubici vyhříváme v pícce asi půl hodiny. Elektrická pícka je umístěna za panelem a trubicí. Potřebné střídavé napětí (kolem 60 V) připojíme k pícce z regulačního autotransformátoru RT 2,5 nebo RT 2,5 J » Teploměr musí ve vyhřáté pícce udávat teplotu kolem   200 °C (teplota nesmí ani na okamžik překročit   300 °C ).
Poznámka j
Potenciál   4,9 V   se nazývá "první kritický potenciál" nebo "rezonanční potenciál" atomu rtuti (pro sodík byl podobně nalezen rezonanční potenciál   2,12 V , pro draslík   1,6 V apod.). Kromě energie, odpovídající prvnímu kritickému potenciálu, mají -atomy také jiné, vyšší stupně budicí energie, které mohou být nalezeny rovněž metodou elektronových srážek. Experimentální metoda pro vzbuzení do vyšších stacionárních stavu musí však být jinak upravena.
.o
r