У 1914 році німецькі вчені Джеймс Франк (1882–1964) та Густав Герц (1887–1975) здійснили експеримент, який став одним із перших прямих підтверджень дискретних енергетичних рівнів в атомах [1]. Їхня робота, відома як «Дослід Франка–Герца», зіграла ключову роль у розвитку квантової механіки та відкрила нові перспективи у вивченні будови речовини. За своє відкриття обидва дослідники отримали Нобелівську премію з фізики у 1925 році [2].
Історичне тло та науковці
Наприкінці XIX століття класична фізика перебувала у своєму розквіті: теорії Ісаака Ньютона (1642–1726/27), Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879) та інших визначних учених описували більшість спостережуваних явищ. Однак деякі експерименти, зокрема пов’язані з тепловим випромінюванням, почали ставити під сумнів ідею, що енергія може змінюватися безперервно. Розв’язання проблеми випромінювання абсолютно чорного тіла спонукало Макса Планка (1858–1947) у 1900 році запропонувати квантову гіпотезу: енергія випромінюється й поглинається порціями (квантами), пропорційно частоті , де h — стала Планка [3]. Це стало першим відхиленням від класичної концепції безперервності енергії.
Іншим кроком у розвитку квантових ідей стало пояснення фотоелектричного ефекту Альбертом Айнштайном (1879–1955) у 1905 році, де було показано, що світло поводиться наче потік фотонів, кожен із яких має певну кількість енергії (квант) [3]. Такі революційні погляди на природу світла і матерії вели до нового уявлення про будову атома. У 1911 році Ернест Резерфорд (1871–1937) довів, що атом має маленьке, але масивне ядро, довкола якого обертаються електрони, і це поклало початок планетарним моделям атома. Проте класична фізика передбачала, що обертання електрона навколо ядра має супроводжуватися випромінюванням енергії та падінням електрона на ядро, тобто атом не міг бути стабільним.
Нільс Бор (1885–1962) у 1913 році запропонував модель, згідно з якою електрони можуть перебувати лише на дозволених орбітах із чітко визначеними енергетичними рівнями. Перехід між цими рівнями супроводжується випроміненням або поглинанням квантів енергії. Така модель добре пояснювала лінійчасті спектри випромінювання водню, але її все ще потрібно було підтвердити додатковими експериментами, особливо для більш складних атомів, таких як ртуть [3].
Саме на цьому тлі виникла ідея Джеймса Франка та Густава Герца перевірити, чи справді атоми поглинають енергію «порціями». Джеймс Франк (1882–1964) спеціалізувався на дослідженнях взаємодії заряджених частинок із газами та молекулами, досліджуючи механізми зіткнення і збудження атомів. Густав Герц (1887–1975), племінник уславленого фізика Генріха Герца (який відкрив електромагнітні хвилі), мав ґрунтовний досвід у галузі електронних розрядів і вивчення емісії світла в газах. Об’єднавши свої зусилля, вони прагнули з’ясувати: якщо атоми мають дискретні рівні, то електрони зможуть збуджувати атоми лише тоді, коли їхня кінетична енергія дорівнюватиме різниці між нижчим і збудженим станами [3]. Іншими словами, не може бути «часткового» збудження, якщо енергії електрона недостатньо, аби «заповнити» цю різницю.
Саме ця ідея й лягла в основу досліду, що сьогодні відомий як експеримент Франка–Герца. Він мав продемонструвати, чи дійсно атоми можуть приймати тільки певну порцію енергії, та довести або спростувати новаторські концепції, які висували Макс Планк, Альберт Айнштайн і Нільс Бор. Результати виявилися вражальними: показавши, що атом ртуті дійсно має дискретні енергетичні стани, Франк і Герц експериментально підтвердили основний постулат квантової механіки [3]. Це відкрило шлях до подальших глибших досліджень структури речовини та змусило науковий світ переглянути традиційні погляди на будову атома й природу світла.
Суть та результати досліду Франка–Герца
У ході експериментів Франка і Герца було використано спеціально сконструйовану газорозрядну трубку: всередині неї підтримувався низький тиск парів ртуті, а нагрітий катод випромінював електрони за рахунок термоелектронної емісії [1]. Ці електрони потрапляли в електричне поле, створене різницею потенціалів між катодом та анодом, і прискорювалися до певної кінетичної енергії, що визначалася величиною напруги. Після проходження прискорювального простору електрони взаємодіяли з атомами ртуті, які перебували в газоподібному стані. Ключове завдання досліду полягало у вимірюванні електричного струму в трубці та спостереженні, як цей струм змінюється залежно від напруги.
Спочатку все здавалося доволі передбачуваним: що більша напруга, то більше електронів рухається з високою швидкістю і, відповідно, зростає струм. Проте виявилося, що під час збільшення напруги до 4,9 В струм раптово падав, а потім при подальшому підвищенні напруги знову зростав. Найбільш приголомшливим було те, що це «провалля» з’являлося неодноразово, з кроком приблизно у ті ж самі 4,9 еВ енергії [1]. Така періодичність свідчила про те, що електрони віддають свою енергію лише порціями, а не будь-якою довільною кількістю.
Причина такої поведінки тісно пов’язана з дискретною структурою енергетичних рівнів атома. Якщо кінетична енергія електрона дорівнювала чи перевищувала 4,9 еВ, він міг збуджувати атом ртуті, повністю віддаючи йому свою енергію і «обнуляючи» власну швидкість (тобто електрон майже зупинявся після зіткнення). За браком енергії нижче цього порога електрон не міг «частково» передати меншу порцію енергії — атом або поглинав усюнеобхідну квантову «порцію», або ж зовсім не збуджувався. Це чітко відповідало новим на той час ідеям квантової механіки, оскільки доводило на практиці, що енергетичні рівні в атомі існують у вигляді розділених «сходинок».
Найяскравішим наслідком спостережень стало пряме підтвердження того, що різниця 4,9 еВ відповідає переходу електронів у ртутному атомі з основного стану на найближчий вищий енергетичний рівень [1]. Той факт, що при трохи меншому значенні напруги зіткнення електронів з атомами практично не призводять до збудження, слугував переконливим доказом квантованого характеру енергії. Це по суті «зрівняло» теоретичний постулат Нільса Бора про дискретність із реальним експериментальним фактом і закріпило за квантовою фізикою репутацію теорії, здатної пояснювати явища, які не підвладні класичним підходам.
Результати досліду виявилися настільки революційними, що їх називають одним із перших прямих доказівіснування дискретних енергетичних рівнів в атомах. Цей експеримент також засвідчив, що квантова «логіка» поглинання та випромінювання енергії не була чимось гіпотетичним чи обмеженим лише ефектом чорного тіла чи фотоелектричним ефектом. Навпаки, Дослід Франка–Герца продемонстрував той самий принцип квантування в поведінці електронів, які взаємодіють з атомами в газовому середовищі. Саме тому це дослідження стало підвалиною подальших досліджень атомних спектрів, процесів зіткнення та іонізації, а зрештою наблизило вчених до формування повноцінної квантової механіки.
Квантова інтерпретація результатів досліду Франка–Герца
Історично фізика базувалася на ідеї, що енергія може передаватися безперервно – так диктувала класична механіка. Проте результати досліду Франка–Герца довели, що при зіткненні електрона з атомом енергія може поглинатися тільки у вигляді визначених «порцій» (квантів), які відповідають різниці між дискретними енергетичними рівнями всередині атома. Це в корені суперечить звичним уявленням про неперервний характер енергії, бо якби енергія могла передаватися поступово в будь-якій кількості, то не існувало б чітко зафіксованого порога збудження в 4,9 еВ.
Щоби зрозуміти, чому так сталося, потрібно пригадати модель Нільса Бора (1885–1962), розроблену в 1913 році [4]. Згідно з нею, електрони обертаються навколо ядра атома лише на стабільних орбітах з певними (квантованими) значеннями енергії. Якщо електрон отримує додаткову енергію, достатню для переходу на вищу орбіту, він поглинає квант (або порцію) енергії, що чисельно дорівнює різниці між енергетичними рівнями. Повертаючись назад, електрон випромінює рівно таку саму порцію енергії у вигляді фотона.
Суть квантового принципу
Суть квантового принципу полягає в тому, що атом здатний засвоювати або випромінювати енергію виключно у вигляді певних порцій, які відповідають різницям між енергетичними рівнями. Якщо енергія електрона виявиться нижчою за необхідну для переходу на наступний рівень, атом не зможе її «проковтнути» частково — такий збуджений стан просто не виникне. Звідси випливає, що електрон, переходячи з одного рівня на інший, поглинає або випромінює строго визначену порцію енергії.
Цей процес наочно виявляється у вигляді характерних спектральних ліній: коли електрон повертається на нижчий рівень, він випромінює світло з частотою, яка відповідає різниці енергетичних рівнів (E = hν). Саме тому при аналізі випромінювання газів спостерігаються характерні лінії у спектрах, що підтверджує дискретний, тобто квантовий, характер взаємодії енергії з атомом.
Ключове значення відкриття
Завдяки досліду Франка–Герца квантова гіпотеза – а саме, що атом поглинає та випромінює енергію лише дискретними порціями, – отримала експериментальне підтвердження і перестала бути суто теоретичною концепцією. Це стало каталізатором для розвитку квантової механіки, яка пояснила інші явища мікросвіту, недоступні для класичної фізики. Новий підхід дав змогу сформувати сучасне розуміння будови матерії, зорієнтуватися в механізмах хімічних реакцій, процесах в атомних ядрах і навіть зрозуміти основи астрофізичних процесів.
Отже, головний висновок квантової інтерпретації досліду Франка–Герца та аналогічних робіт полягає в тому, що мікросвіт не підкоряється «лінійному» закону розподілу енергії, а дотримується квантового принципу, де все відбувається «порціями». Це перевернуло усталені уявлення й сприяло становленню квантової парадигми, яка нині лежить в основі більшості сучасних наукових відкриттів у фізиці.
Підсумки та вплив на подальшу науку
Дослід Франка–Герца показав, що дискретна структура атома — це не просто красива ідея, а реально зафіксований факт [2]. Цей експеримент змінив погляд на природу взаємодії світла та речовини, пояснив механізми збудження та випромінювання в атомах і заклав підґрунтя для складніших теорій розсіювання та іонізації. Досвід, який Франк і Герц здобули в процесі цих експериментів, надалі був використаний у розробці квантових уявлень про спектри випромінювання газів та у створенні сучасних газорозрядних ламп.
Їхній дослід став надзвичайно важливим доказом того, що нові квантові концепції не просто абстрактні, а мають пряме експериментальне підтвердження. Він також уплинув на подальші дослідження таких учених, як Арнольд Зоммерфельд (1868–1951) та Вернер Гайзенберг (1901–1976), які розвивали квантову механіку в напрямку уточнення моделей атома і опису складних спектральних ліній [3]. У підсумку саме з таких експериментів почалася нова ера фізики, у якій домінують квантові уявлення про будову матерії.
Джерела:
1. Franck, J., Hertz, G. (1914). Über Kollisionsprozesse zwischen Elektronen und Molekülen des Quecksilberdampfes und die Ionisierungsspannung desselben. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft.
2. Krane, K. (1996). Modern Physics. John Wiley & Sons.
3. Feynman, R., Leighton, R., Sands, M. (1963–1965). The Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley.
4. Mehra, J., Rechenberg, H. (1982). The Historical Development of Quantum Theory. Springer.
コメント