Рис. 1. Характер изменения тока в ртутной лампе от напряжения.
Новое понимание опыта Франка и Герца
(из серии "Катастрофы заблуждений")
Руднев А.Д.
Практика всегда остается критерием истины, способным сортировать выдвигаемые гипотезы по признаку соответствия природе.
Однако в физике мельчайших частиц нужно быть осторожней в суждениях, ибо результаты экспериментов воспринимаются нами через
этап "трактовки". Трактовка результатов проводится человеком с точки зрения накопленных знаний и тоже может содержать элементы
недостоверности. В таком случае, ложная трактовка результатов даст ошибочное заключение о проверяемой теории.
Опыт Франка и Герца [1] показал полимодальную зависимость тока в ртутной лампе от напряжения (рис.1). Интересно, что
ток не просто возрастал, а имел выраженную связь периодического роста с напряжением. Максимумы значений тока в точности
совпадали с напряжением, кратным потенциалу ионизации ртути. Сомнений не было, -налицо встреча с квантованием энергии,
известной в то время по излучениям. Ступенчатость этого процесса была положена в основу постулатов Бора [2] об излучениях
атомов при переходе электронов с одной орбиты на другую. -Кажется, нет иной возможности для многократного повторения
ионизационных актов.
Опыт был убедительным, надежно воспроизводился, а потому всё, что с ним связано, ассоциировалось с абсолютной истиной. Некоторая
шероховатость в объяснении провалов тока не могла повлиять на главное: атомы паров ртути многократно ионизуются, т.е. теряют каждый
раз по одному электрону. Оттого-то, дескать, и растет ток в среднем значении, что число носителей тока возрастает.
Эта уверенность сыграла для науки недобрую службу, благодаря ошибочности багажа знаний, использованного при трактовке результатов
опыта. Нам придется рассмотреть несколько смежных физических явлений, чтобы обнаружить заблуждения. И для начала напомним логику
доказательств (ЛД) в науке: истинность положений подтверждается множеством положительных фактов, а для опровержения -достаточно одного отрицательного факта.
Когда мы рассматриваем принцип работы конденсатора, мы рисуем "плюсики" и "минусики" вблизи пластин конденсатора. В учебниках по
электричеству это объясняют так: "Заряды одного знака располагаются в бесконечно тонком слое вблизи поверхности электрода другого
знака". Здесь так много "белых ниток", что придется их нумеровать.
1. Ток- есть направленное движение электронов. Математическая запись для тока 
не несет требования о движении и потому не точна.
Движение не может быть не направленным, ибо скорость движения - параметр векторный. Согласно ЛД можно констатировать, как минимум,
неполную достоверность формулировки.
Не лучше дело и со старой формулировкой "ток -это количество электричества, перенесенное электронами через поперечное сечение
проводника за единицу времени". Надо мысленно заставить единственный электрон двигаться в длинном проводнике, чтобы обнаружить
отсутствие события, называемого формированием тока. В произвольном сечении проводника ток оказывается нулевым. Вывод настораживает:
мы что-то упускаем, что-то важное понимается нами не так.
2. Говоря о токе в металлах, мы оперируем понятием "электронный газ" -присутствие свободных электронов. Это оправдывается ионизацией
атомов, якобы делегирующих свои электроны в зону проводимости. Логики нет, ибо для ионизации атома требуется энергия, многократно превышающая
возможности источника тока. Кроме того, в случае ионизации атомов мы бы видели скачкообразный групповой характер роста тока.
3. Если ток характеризуется одновременно и количеством движущихся электронов, и их скоростью, то как определить заряд нейтрального
проводника и какова скорость движения электронов в нем
4. Коль скоро переносчиком электричества являются электроны, то что же мы обозначаем "плюсиками"? -Их отсутствие?
Но это может означать только одно: нейтральным телом мы называем такое, в котором уже содержится некоторая концентрация свободных электронов.
Положительность или отрицательность локального объема среды отражает знак изменения этой концентрации относительно начального значения.
При этом очевидно, что заряд не может быть отрицательным.
Исследования, проводимые в РАЕН с участием автора [3], показали, что свободные электроны содержатся во всех средах: в твердых, жидких и газообразных1.
Объемная плотность электрических зарядов оказалась очень высокой. Она тем выше, чем больше объемная плотность среды. А вот скорость движения электронов
оказалась обратно пропорциональной плотности проводящей среды. В частности, в металлах она составляет единицы метров в секунду.
В примере с конденсатором речь идет о понижении плотности свободных электронов возле плюсовой пластины и повышении их концентрации- возле минусовой.
Правда, говорить о бесконечно тонком слое недопустимо, т.к. это нарушает закон Кулона. В самом деле, сила взаимного отталкивания обратно пропорциональна
квадрату расстояния между электронами и их сближение до минимально возможного расстояния требует практически бесконечной мощности источника.
И ещё несколько слов об одной "истине" - ионизации атомов. Ионизация атомов невозможна в том смысле, в каком она сегодня понимается, т.е. в смысле
отчуждения электронов. Даже если допустить, что это произошло, свободные электроны, окружающие атом, немедленно заполнят вакансию. Суть этого явления
не в ионизации, а в квантованном изменении энергии электронов атома. Энергия, затрачиваемая в подобных опытах, просто увеличивает энергию атомных
электронов на величину разрешенного приращения.
Это ярко проявляется в так называемой ионизации атома водорода. Существование иона Н+ (как голого протона) само по себе противоестественно в
окружении электронов. Сольватация протона просто немыслима, т.к. потеряв геометрию атома, протон, в лучшем случае, резко выпадет в осадок. Итак,
согласно ЛД, ионизация атомов существует, но она происходит без вырывания электронов из атома.
Мы абсолютно доверяем эмпирической формуле Кулона при взаимодействии электронов
( 1).
( 2).
( 3). Во-первых, так называемый элементарный заряд, оказывается, не самостоятельный параметр, а средство отображения параметров электрона,
инвариантное к изменениям его энергии
( 4). Одновременно убеждаемся, что заряд- всегда положительная величина. И самое главное: подлинная постоянная обуславливает изменение радиуса электрона при изменении его энергии.
Соединяем воедино два новых факта:
-действие внешнего электрического поля не ионизирует атом, а увеличивает его энергию, если он не имеет возможности ускоренного движения;
-атомный электрон фиксирован; увеличение энергии атомного электрона ведет к уменьшению радиуса атома.
Следствие:
Oбъем пространства, высвободившийся за счет уменьшения размеров атома, снижает концентрацию свободных электронов ("положительный" заряд).
Что это дает нам применительно к опыту Франка и Герца? Мы можем утверждать, что периодический рост тока в данном опыте не связан со сбросом электронов атомами ртути.
Доказательств тому несколько.
1. При объеме лампы около 1 л (насколько можно судить по фотографиям) число атомов ртути имеет порядок 3Е+22. Каждая ионизация давала бы количество электричества 4800 Кул.
При токе лампы порядка 3А этот процесс завершился бы всплеском тока в течение времени менее 15 минут. Опыты же проводились длительное время, а ссылок на эффект снижения тока нет.
2. Согласно модели Бора (а именно в ней возможен сброс электронов атомами) сброс электронов внешней оболочки должен приводить к уменьшению энергии последующих ионизаций атома.
В опытах же отмечается воспроизведение постоянного значения потенциала ионизации.
3. В практике напротив отмечается значительный рост [4] энергии второй и последующих ионизаций. Но в любом случае невозможны последующие ионизации с одинаковыми значениями энергии.
Таким образом, не обсуждаются три достоверных факта:
-происходит такая ионизация атомов ртути, которая не сопровождается сбросом электронов;
-вторичной ионизации атомов не происходит;
-увеличение числа носителей тока происходит за счет источника питания.
Каков же действительный механизм изменений тока в опыте? Рассмотрим поведение свободных электронов в ртутной лампе. В отсутствии напряжения на электродах они занимают
равноудаленное расположение, благодаря кулоновским силам отталкивания. Объемная плотность зарядов в колбе лампы равномерна по объему и может оцениваться для кубической модели
структуры отношением
( 5),где z - сторона кубической ячейки.
При подаче напряжения на анод лампы все электроны получают силовое действие поля
( 6).Электроны накапливаются вблизи анода.
Давление на ячейку куба пропорционально числу слоев свободных электронов. При этом каждый n-й слой электронов (отсчет от катода)
испытывает воздействие всех n
предыдущих слоёв подобно тому, как действует сила тяготения на вертикальный столб воды (рис. 2).
( 7). Соответственно, и энергия электронов по длине колбы различна.
Так что при некоторой дискретности давления , соответствующей квантованным значениям энергии, происходит перемещение границы ионизации от точки к точке и т.д.
Всякий раз добавляется объем ионизации и происходит он не однократным событием, а по нормальному распределению. Суммарный ток определяется этими всплесками и ростом
общей напряженности электрического поля в лампе.
Дальнейшее увеличение напряжения повторяет процессы на новом уровне энергии электронов и размеров ячеек электронной структуры. Процесс этот не бесконечный, он может
продолжаться до тех пор, пока все слои электронов между сеткой и анодом не перейдут в новое энергетическое состояние.
Таким образом, этот известный опыт подтверждает квантование энергии заряженных частиц, но не ионизацию атомов. Отсюда следует, что общепринятый взгляд на процесс ионизации
атомов, как потерю ими электронов, ошибочен.
Литература.
1. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Оптика и атомная физика. М., ACADEMA, 2000.
2. Bohr N. Die Quantenpostulat und die neuere Entwicklung der Atomistik. Naturwissenschaften, H. 15.1928.
3. Живлюк Ю.Н., Руднев А.Д., Лаптев В.Ф. Описание и результаты эксперимента по регистрации зарядовой структуры пространства и измерению гравитационных констант Земли. М., 2001
4. Эберт Г. Краткий справочник по физике. М.,Ф-М.,1963.
1Не явился исключением и космический вакуум, обретший, наконец, физическую сущность.
