تعرف على تجربة فرانك وهيرتز

هل تعرف ما هو ملف تجربة هيرتز؟ كانت دراسة أجريت لأول مرة في عام 1914 من قبل العالمين جيمس فرانك وجوستاف لودفيج هيرتز ، وكان الغرض منها تحديد مستويات طاقة الإلكترونات الموجودة في الذرات.

تجربة فرانك وهيرتز

كانت تجربة هيرتز قادرة على تأكيد نموذج بور الكمي للذرة ، مما يثبت أن الذرات كانت قادرة فقط على امتصاص كميات معينة من الطاقة تسمى الكميات. لهذا السبب ، تعد هذه إحدى التجارب الأساسية لفيزياء الكم. من أجل هذا البحث ، مُنح فرانك وهيرتز جائزة نوبل في الفيزياء عام 1925.

التاريخ ، من كان هيرتز؟

في عام 1913 ، دعا نيلز بور إلى وجود نموذج جديد للذرة ، أطلق عليه لاحقًا اسم نموذج بوهر الذري، واقترح وجود مدارات إلكترونية ، والتي كان نموذجًا لها نموذج رذرفورد الذرييشبه إلى حد كبير نظام الكواكب. من خلال نموذجه ، اقترح أربعة افتراضات ، كان أحدها مرتبطًا بتكميم مدارات الإلكترونات.

بهذه الطريقة ، كانت التجارب الأولى تهدف إلى التحقق من هذا التكميم. في التجارب الأولى ، تم استخدام الضوء ، حيث كان معروفًا في ذلك الوقت أن الضوء يتكون من كمية من الطاقة. لهذا السبب ، تم انتقاد بور لحقيقة أن نتائج تكميم المدارات ، وبالتالي ، تكميم حالات الطاقة لإلكترونات الذرة ، كان أصلها فقط في تكميم الضوء.

في عام 1914 ، ابتكر فرانك وهيرتز ، اللذان كانا يعملان على طاقات تأين الذرات ، تجربة باستخدام مستويات الطاقة لذرة الزئبق. استخدم اختباره الإلكترونات وذرات الزئبق فقط ، دون استخدام أي ضوء. وهكذا حصل بوهر على الدليل القاطع لنموذجه الذري.

تجربة هيرتز في الممارسة

في البداية ، من أجل إثبات تكميم مستويات الطاقة ، استخدموا صمامًا ثلاثيًا ، مكونًا من كاثود وشبكة مستقطبة وأنود قادر على تكوين شعاع إلكتروني داخل أنبوب مفرغ يحتوي على الزئبق في حالة غازية .

ثم شرعوا في قياس تعديل التيار الذي يستقبله القطب الموجب وفقًا للطاقة الحركية التي تمتلكها الإلكترونات ، وبالتالي تمكنوا من استنتاج فقد طاقة الإلكترونات في اللحظة التي حدثت فيها الاصطدامات.

الخامة

تم احتواء مجموعة الصمامات الثلاثية داخل كبسولة زجاجية تحتوي على الزئبق. من الممكن إجراء هذه التجربة في درجات حرارة مختلفة ومن المهم أن تكون قادرًا على مقارنة هذه النتائج بقياس في درجة حرارة الغرفة ، حيث سيكون الزئبق في حالة سائلة.

عند تسخين الزئبق إلى درجة حرارة 630 كلفن ، يصبح غازًا. ولكن لتجنب الاضطرار إلى الوصول إلى درجة الحرارة هذه ، من الممكن العمل بضغط منخفض داخل الكبسولة ويمكن تسخينها إلى درجة حرارة تتراوح بين 100 و 200 درجة مئوية.

من أجل استخراج الإلكترونات ولكي تصل إلى السرعة المناسبة ، يجب استخدام جهد يقع بين الكاثود والشبكة ، والذي سيكون جهد تسريع ينتج أونداس دي راديو. بنفس الطريقة ، قد يكون من المثير للاهتمام وضع جهد في الاتجاه المعاكس ، بين القطب الموجب والشبكة ، من أجل إبطاء الإلكترونات.

نتائج تجربة هيرتز

كما هو موضح في سيرة هيرتز، نتيجة هذه التجربة هي أنه سيكون من الممكن تمثيل الطريقة التي يتطور بها فرق الجهد الذي سينتج عن محول الجهد الحالي الذي يتم وضعه عند خرج الأنود ، فيما يتعلق بفرق جهد الاستخراج للإلكترونات من الكاثود.

للحصول على فروق جهد منخفضة ، وصولاً إلى 4,9 فولت ، يزداد التيار المتدفق عبر الأنبوب بثبات مع زيادة فرق الجهد. مع ارتفاع الجهد ، يزداد المجال الكهربائي في الأنبوب وسيتم سحب الإلكترونات بقوة أكبر نحو شبكة التسريع. في هذه الحالة ، لوحظ أنه عند 4,9 فولت ، ينخفض ​​التيار فجأة ، ويعود إلى الصفر تقريبًا.

سيزداد التيار باطراد إذا استمر الجهد في الزيادة ، حتى الوصول إلى 9.8 فولت ، وهو بالضبط ضعف الحجم الأول للتيار المستخدم ، ويمكننا أن نرى حدوث انخفاض مفاجئ مماثل عند 9.8 فولت. هذه السلسلة من القطرات الحالية بزيادات تبلغ حوالي 4.9 فولت ستثبت بشكل ملحوظ إلى إمكانات لا تقل عن 100 فولت.

تفسير نتائج تجربة هيرتز

كان فرانك وهيرتز قادرين على شرح تجاربهما في ظل ظروف الاصطدام المرن والاصطدام غير المرن للإلكترونات. في الإمكانات المنخفضة ، اكتسبت الإلكترونات المتسارعة كمية معتدلة من الطاقة الحركية. عندما واجهوا ذرات الزئبق في الأنبوب الزجاجي ، قاموا بتصادمات مرنة فقط.

هذا سبب لكونه في تنبؤ ميكانيكا الكم الذي يشير إلى أن الذرة غير قادرة على امتصاص أي طاقة حتى تتجاوز طاقة الاصطدام القيمة المطلوبة لإثارة إلكترون مرتبط بالذرة المذكورة عند طبقة طاقة أعلى.

بالنسبة للتصادمات المرنة فقط ، تظل الكمية المطلقة للطاقة الحركية داخل النظام كما هي. نظرًا لأن كتلة الإلكترونات أخف بحوالي ألف مرة من الذرات الأقل كتلة ، فهذا يعني أن معظم الإلكترونات احتفظت بطاقتها الحركية ، لتصبح موجات هيرتز. أدت الإمكانات العالية إلى دفع المزيد من الإلكترونات من الشبكة إلى القطب الموجب ونجحت أيضًا في زيادة التيار المرصود ، حتى وصلت إمكانية التسارع إلى 4.9 فولت.

تحتاج أقل طاقة الإثارة الإلكترونية التي يمكن أن تحتويها ذرة الزئبق إلى 4,9 إلكترون فولت (eV). في الحالة التي وصلت فيها قوة التسارع 4.9 فولت ، امتص كل إلكترون حر 4.9 فولت بالضبط من الطاقة الحركية ، أعلى من طاقة الراحة عند درجة الحرارة تلك ، بحلول الوقت الذي وصل فيه إلى الشبكة.

لهذا السبب ، يمكن أن يكون التصادم بين ذرة الزئبق والإلكترون الحر غير مرن في ذلك الوقت ، أي يمكن تحويل الطاقة الحركية للإلكترون الحر إلى طاقة كامنة عن طريق إثارة مستوى طاقة الإلكترون الذي يحتوي على ذرة زئبق . عندما تُفقد كل طاقته الحركية ، يصبح الإلكترون الحر غير قادر على التغلب على الطاقة السلبية الطفيفة عند القطب الكهربي الأرضي ، وينخفض ​​التيار الكهربائي بشكل حاد.

عند زيادة الجهد ، تشكل الإلكترونات تصادمًا غير مرن ، وتفقد إمكاناتها الحركية البالغة 4.9 فولتًا ، ولكنها تظل في حالة متسارعة. بهذه الطريقة ، يرتفع التيار الذي يتم قياسه مرة أخرى عند زيادة إمكانية التسارع ، بدءًا من 4.9 فولت. عند الوصول إلى 9.8 فولت ، يتغير الوضع مرة أخرى.

في تلك اللحظة ، يمتلك كل إلكترون الطاقة اللازمة ليكون جزءًا من تصادمين غير مرنين ، والذي ينجح في إثارة ذرتين من الزئبق ، ثم يفقد كل طاقتهما الحركية. هذا هو ما يفسر الانخفاض الحالي المرصود. في فترات 4.9 فولت ، يكرر هذا الإجراء نفسه ، لأن الإلكترونات ستواجه تصادمًا غير مرن آخر.