В планетной системе, согласно ньютоновской механике, возможны движения с любыми значениями полной энергии. С другой стороны, мы подозреваем, что для атома может иметь место только ограниченная (дискретная) совокупность движений. Мысль о таком ограничении вызывается воспроизводимостью состояний атомов и их устойчивостью. На это указывает также тождественность представителей одного атомного вида.
Если возможны только определенные схемы движения, то следует ожидать, что атомная система может обладать только определенными величинами полных энергий, соответствующих этим движениям. Тогда должны существовать промежутки между возможными энергиями; и, в таком случае, внутренняя энергия атома может изменяться только на определенные количества энергии, сообщаемые извне.
Действительно ли существуют промежутки между возможными энергиями, которые может иметь атом? Непосредственная проверка этой мысли весьма важна. Ее можно произвести, пытаясь изменить энергию атомов непосредственно, бомбардируя их электронами. Может ли атом, который сталкивается с электроном, получить некоторую энергию и сохранить ее, как добавку к его внутренней энергии? Если это так, то может ли он сохранить любую добавку, от малой до большой, или он ограничен набором строго определенных количеств энергии? Такая проверка была произведена в 1914 г. в Германии. Джемс Франк и Густав Герц провели опыт с бомбардировкой электронами атомов ртути, за который впоследствии они получили нобелевскую премию. Этот опыт и многие другие, которые были им стимулированы, является ключом к вопросам устойчивости и строения атомов. Здесь будет описан опыт, несколько отличающийся от первоначальных опытов Франка и Герца, но дающий те же сведения с помощью весьма сходных средств. Данный опыт выбран потому, что его легче истолковать, хотя и труднее провести.
Следуя Франку и Герцу, используем электроны для бомбардировки атомов. Это можно сделать, применяя электронную пушку, подобную тем, которые описаны в гл. 27 и 28. Электронная пушка сообщает кинетическую энергию электронам, испаряющимся с раскаленной проволочки. Если ускоряющее напряжение в пушке равно FA, то электроны покидают пушку с кинетической энергией, равной произведению одного электронного заряда на VA вольт, или VA электрон-вольт.
Электроны, выйдя из пушки, переходят в камеру сквозь малое отверстие, а электронная пушка работает в хорошем вакууме, потому что любой газ, который попадает из камеры в пушку, непрерывно и быстро откачивается (рис. 34.1). Камера, содержащая газ, изготовлена из электропроводящего материала, так что вся она находится при одном потенциале и внутри нее нет электрического поля, которое могло бы изменять энергию электронов.Следовательно, любое изменение энергии электронов возникает благодаря их взаимодействию с атомами газа.



Рис. 34.1. Общая схема опыта для определения изменений энергии электронов, сталкивающихся с атомами газа. Электроны проходят через газ (ртутный пар) в средней камере. Они выходят из пушки с энергией, сообщаемой им ускоряющим напряжением. Энергия электронов после столкновений измеряется в камере справа. Обратите внимание на то, что отверстие в камеру (справа) для измерения энергии не находится на одной прямой с первоначальным пучком электронов. Это сделано для того, чтобы обеспечить попадание в эту камеру только тех электронов, которые отклонились при столкновениях.

Теперь с целью исследовать, что же происходит с электронами, когда они сталкиваются с атомами газа, позволим некоторым электронам выходить из газовой камеры сквозь другое малое боковое отверстие, ведущее во второе откачанное пространство. Здесь измеряется энергия электронов, прошедших сквозь газ. Это измерение можно произвести одним из ряда способов. Например, применим магнитный масс-спектрограф, подобный описанному в гл. 30. Тогда, зная массу электрона и кривизну траектории электрона в магнитном поле, можно определить энергию. Эгергию электрона можно также определить, заставив электрон двигаться против замедляющей разности потенциалов, которая как раз не позволяет электронам достигнуть коллектора. Можно даже пользоваться измерениями времени пролета в детектирующей камере для нахождения скорости электрона и затем его кинетической энергии.
Детали этих измерений оказываются на практике очень сложными, но, несмотря на затруднения, мы в результате определяем искомую энергию электронов после столкновения с атомами газа.
Какие же сведения дает такой прибор? Рассмотрим какой-либо пример. Что произойдет, если в газовой камере находятся пары ртути? Пока ускоряющий потенциал в электронной пушке составляет только несколько вольт, мы находим, что электроны, попадающие в коллектор после столкновений с атомами газа, обладают почти той же самой энергией, которая была сообщена им пушкой. Столкновения с атомами газа при этой низкой энергии являются упругими. (При таких столкновениях массивные атомы получают незначительную долю кинетической энергии.) Однако, когда ускоряющий потенциал переходит за 5 в, так что электроны, бомбардирующие атомы, обладают кинетической энергией в 5 эв или больше, происходит драматическое изменение. Электроны, попадающие в детектор, больше уже не имеют той энергии, с которой они покидали пушку; практически они совсем не имеют кинетической энергии.
Увеличим теперь потенциал пушки так, чтобы кинетическая энергия бомбардирующих электронов возросла. Мы обнаружим также увеличение и энергии электронов, достигающих детектора. При повышении VA с 5 до 6 ? кинетическая энергия электронов, измеренная в детекторе, возрастает от малой доли электрон-вольта до значения, превышающего предыдущее на 1 эв. Тщательные измерения, в которых точно определяются напряжение на пушке и кинетическая энергия в детекторе, показывают, что в столкновениях с атомами электроны теряют почти точно 4,9 эв. Эта потеря происходит только тогда, когда бомбардирующий электрон имеет кинетическую энергию 4,9 эв и величина этой потери остается неизменной при дальнейшем увеличении энергии снарядов еще на пару электрон-вольт. Атом ртути не может поглощать энергию в количествах,, меньших 4,9 эв, и даже когда к нему подводится несколько большая энергия, он все же принимает это же самое количество.
Однако 4,9 эв - не единственное количество энергии, которое атом может получить. Если бомбардирующая энергия составляет 6,7 эв или более, то электроны могут потерять либо 4,9, либо 6,7 эв. При дальнейшем увеличении бомбардирующей энергии мы найдем другие пороги, при которых могут происходить большие потери и за пределами которых любое из нескольких дискретных количеств энергии может быть отнято от электронов. Это и есть основное свойство, которое искали Франк и Герц: атомы могут изменять свою внутреннюю энергию, но эти изменения ограничены строго определенными ступенями.
Наименьшее количество энергии, которое может быть воспринято атомом, называется его наименьшей энергией возбуждения. Для ртути энергия возбуждения составляет 4,9 эв. Для гелия, который имеет самую высокую энергию возбуждения, ее значение равно 19,8 эв. Наименьшая энергия возбуждения из всех атомов приходится на цезий, который не отказывается от порции в 1,4 эв. Другие атомы также принимают определенные порции энергии, и эти порции характерны для каждого вида атомов.
Описанный нами эксперимент является идеализацией; приведенные нами результаты были собраны из ряда подобных опытов, приводящих к согласующимся данным. Таким образом, опыт Франка и Герца и его позднейшие видоизменения показали, что атомы могут принимать только определенные порции энергии. Внутренняя энергия атома не может изменяться непрерывно. Она изменяется только ступенями. Последова тельные значения внутренней энергии, которые может иметь атом, называются его энергетическими уровнями. Часто они изображаются схематически так, как показано на рис. 34.2.
Основное состояние атома есть то состояние, в котором мы находим атом до того, как ему была сообщена какая-либо энергия возбуждения. Выше основного лежат различные возбужденные состояния, разделенные промежутками. Эти возбужденные состояния возникают, когда атому ударяющим электроном сообщается соответствующая данному уровню порция энергии. Наконец, когда об атом ударяется электрон с достаточно высокой энергией, то атом фактически разрушается. Из атома выбрасывается электрон, после чего остается положительный ион. Так как энергия выброшенного электрона может иметь любое значение, то атом может принять любую порцию энергии, которая превышает энергию ионизации. Для ртути, как указано на рис. 34.2, энергия ионизации оказывается равной 10,4 эв.
С помощью электронных столкновений были изучены атомы многих элементов. Из этих опытов было найдено, что каждый вид атомов имеет свою собственную совокупность уровней энергии и свою собственную энергию ионизации. Совокупность уровней энергии и энергия ионизации определяют индивидуальность атома так же, как его способность вступать в химические реакции или его оптический спектр.



Рис. 34.2. а) Некоторые энергетические уровни атома ртути. На этой диаграмме энергия в нормальном "основном состоянии" принята за нуль; показано несколько вполне определенных порций энергии, которые способен принять атом, б) Такая же диаграмма для атома цезия.