仪器测到的是电流
电子在汞蒸气中加速,剩下的能量够越过减速区,才能到达收集极。当年记录的是电流随电压的变化,能级是从这条曲线推出来的。Franck 在诺奖演讲中,把约 4.9 电子伏的特征能量损失和约 253.7 纳米的紫外发射联系起来。
电子发生非弹性碰撞后,剩下的动能可能不够被收集,电流下降就可能说明有能量交给了原子。电子并没有消失,也不是每次碰撞都是非弹性的。碰撞发生在哪里、收集门槛在哪里,都会影响读数。
间隔比单个电压更有用
加速电压再升高,电子激发一个原子后可以重新获得动能,在被收集前再激发另一个。电流结构于是重复出现,重复的间隔可以对应一个特征能量。读教学模型时可用下式:它把正的元电荷、对应特征之间的电压间隔和激发能近似联系起来。
这只是近似的能量关系,没有拟合数字化的历史数据。接触电势会让电压零点看起来偏移;能量展宽、蒸气密度、弹性散射和减速场都会改变曲线。第一个谷的位置不能单独当成激发能的绝对测量,还要看多个特征之间的间隔是否一致。
激发不等于电离
Hertz 在 1968 年回忆,起初他们把现象解释为电离,后来才改正。原子吸收能量后可以仍是中性;把电子移走是另一回事。这段历史说明,测到阈值和正确理解阈值并不是同一件事。Hertz 还提到,有一个更低的亚稳态,激发概率较小,在当时条件下不明显。所以,最突出的间隔并不是汞的最小激发能。
Franck 的演讲拿碰撞能量和一条特定的紫外谱线比较;Hertz 的演讲把电子碰撞结果和玻尔定态联系起来。1925 年的奖项表彰的是电子碰撞原子的规律,演讲在 1926 年发表。实验、后来的解释、获奖年份和演讲日期,要分开来看。
证据阅读:G. Hertz (1968), Memories of James Franck and the electron scattering experiments — Lindau recording and transcriptJ. Franck, Nobel lecture (1926): Transformations of kinetic energy of free electrons into excitation energy of atomsG. Hertz, Nobel lecture (1926): The results of the electron-impact tests in the light of Bohr’s theory of atomsNobel Prize in Physics 1925 — official award record
证据排除了什么
激发能可以重复测到,这和一种看法相冲突:原子内能可以接收任意小份的能量,没有特定阈值。碰撞得到的能量又和辐射吻合,电学测量和光学测量互相印证。比起单纯看到曲线上有个谷,这样的论证更有说服力。
它不证明电子真的沿轨道绕核转,给不出汞的完整能级图,也不说明装置里没有任何经典效应。要检验另一种解释,就要求它在扣除仪器效应后,同时预言间隔以及间隔和光谱的关系。当年的成功靠的是这些具体检验,一条曲线证明不了普遍结论。
证据阅读:J. Franck, Nobel lecture (1926): Transformations of kinetic energy of free electrons into excitation energy of atomsG. Hertz, Nobel lecture (1926): The results of the electron-impact tests in the light of Bohr’s theory of atoms
Lab 是模拟,不是历史数据
在激发 Lab 里扫描加速电压,保留收集电流曲线,比较相邻几个谷。调整装置参数,看推出的间隔是不是比第一个谷的位置更稳定。这条曲线是模拟数据,不是 1914 年实验的数字化原始数据。
氢原子 Lab 提供另一种光谱比较。光电发射分析仪把能量问题反过来:入射光把电子从材料里打出来,能量平衡里要算上功函数。它的功函数和显示的动能,都不能拿来代替汞的激发阈值。三个页面共通的是方法,不是同一个样品,也不是同一组历史数据。
证据阅读:N. Bohr (1913), On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I, §§1–3J. Franck, Nobel lecture (1926): Transformations of kinetic energy of free electrons into excitation energy of atoms