Коротка теорія. В атомах стійкими є тільки стани з певними, дискретними значеннями енергії

В атомах стійкими є тільки стани з певними, дискретними значеннями енергії. Ці стани називаються стаціонарними. Передача енергії атомові й перехід його з основного стану в стан із більшою енергією - називається збудженням атома. Поглинання й випромінювання енергії атомами можливо тільки певними порціями – квантами. Основним стаціонарним станом є стан із мінімальною енергією. Усі інші стани називаються збудженими. Збуджений атом за час повертається в основний стан чи у стан із меншим значенням енергії і випромінює квант електромагнітної енергії. Частота випромінюваного чи поглиненого світла визначається різницею енергій двох стаціонарних станів:

. (1)

Одним із методів дослідження переходів атомів у певні енергетичні стани є метод електронного удару. Фізичний зміст цього методу полягає у тому, що прискорюючим електричним полем на відстані вільного пробігу можна плавно змінювати кінетичну енергію електрона. Джерелом електронів при цьому може служити термоелектронна емісія із розжареного катода вакуумної електронної лампи. При бомбардуванні досліджуваних атомів електронами, відбувається або пружний удар без передачі енергії, або непружний удар, коли енергія передається від електрона до атома порціями.

Кінетична енергія електрона, що пройшов у прискорюючому полі різницю потенціалів U дорівнюєроботі електричного поля

, (2)

де е - заряд електрона; m – його маса. З цього виразу можна знайти швидкість електрона

. (3)

Швидкості термоелектронів, при їх виході із металу, малі і їх можна вважати близькими до нуля у порівнянні із швидкостями, що їх створює прискорююче поле. Тому при співударяннях з атомами електрони будуть мати приблизно однакові швидкості V.

Якщо кінетична енергія електрона порівняно мала, його зіткнення з атомом носить характер пружного, при цьому енергія від електрона до атома не передається.

У випадку, коли кінетична енергія електронів більша міжрівневих енергій атома, їхні зіткнення з атомами стають не пружними, електрони передають свою енергію атомам і збуджують їх. При подальшому збільшенні енергії електронів величина енергії, переданої атомам при кожнім зіткненні, залишається сталою.

Енергія електронів, що бомбардують атоми, може досягти такої величини, що відбудеться не тільки збудження, але й іонізація атома, тобто відбудеться вибивання електрона з атома й він стане додатно зарядженим іоном. При іонізації необхідно виконати роботу іонізації проти сил взаємодії між електроном і ядром атома. Роботу іонізації можна характеризувати потенціалом іонізації - тією різницею потенціалів U, яку повинен пройти електрон у прискорюючому полі, щоб придбати кінетичну енергію, рівну роботі іонізації

. (4)

Оцінимо мінімальну величину кінетичної енергії, яку повинен мати електрон, щоб викликати іонізацію атома газу. Відповідно до закону збереження імпульсу при не пружному зіткненні частинок можна записати

. (5)

де швидкість термоелектрона до зіткнення, швидкість атома до зіткнення, маса атома, маса електрона, швидкість частинок після зіткнення. Так як швидкість атома значно менша швидкісті електрона, то його можна роглядати як нерухомий () і тоді маємо

. (6)

Початкова кінетична енергія електрона, що бомбардує атом, витрачається на роботу іонізації й на створення кінетичної енергії атома й електрона після удару

. (7)

Визначимо швидкість V із (6) і, підставивши її значення у (7), одержуємо

. (8)

З формули (8) випливає, що мінімальна кінетична енергія, яку повинна мати частинка для здійснення іонізації атома газу, може бути рівна або більша роботи іонізації і буде тим ближче до , чим менше маса частинки в порівнянні з масою атома. Для електрона ця енергія менше, ніж для будь-якої іншої частинки (іона). Зазначимо, що енергія збудження атома, менше роботи іонізації.