Знаете ли какво е Херц експеримент? Това е изследване, проведено за първи път през 1914 г. от учените Джеймс Франк и Густав Лудвиг Херц, чиято цел е да установи квантуването на енергийните нива на електроните, присъстващи в атомите.
Експеримент на Франк и Херц
Експериментът на Херц успя да потвърди квантовия модел на Бор на атома, доказвайки, че атомите са способни да абсорбират само определени количества енергия, наречени кванти. Поради тази причина това е един от съществените експерименти за квантовата физика. За това изследване Франк и Херц са удостоени с Нобелова награда по физика през 1925 г.
История, кой беше Херц?
През 1913 г. Нилс Бор се застъпва за съществуването на нов модел на атома, по-късно наречен Атомният модел на Бор, и предложи съществуването на електронни орбити, които имат за модел Атомен модел на Ръдърфорд, подобно на планетарна система. Със своя модел той предлага четири постулата, единият от които е свързан с квантуването на орбитите на електроните.
По този начин първите експерименти имаха за цел да могат да проверят това квантуване. В първите експерименти е използвана светлина, тъй като по това време се знае, че светлината се състои от кванти енергия. Поради тази причина Бор е критикуван за факта, че резултатите от квантуването на орбитите и следователно от квантуването на енергийните състояния на електроните на атома са произлезли само от квантуването на светлината.
През 1914 г. Франк и Херц, които работят върху йонизационните енергии на атомите, разработват експеримент, използващ енергийните нива на живачния атом. Неговият тест използва само електрони и живачни атоми, без да използва никаква светлина. Така Бор получи неопровержимото доказателство на своя атомен модел.
Експериментът на Херц на практика
Първо, за да демонстрират квантуването на енергийните нива, те използваха триод, съставен от катод, поляризирана решетка и анод, който е в състояние да създаде електронен лъч във вакуумна тръба, съдържаща живак в газообразно състояние .
След това те пристъпиха към измерване на модификацията на тока, получен от анода, според кинетичната енергия, притежавана от електроните, и по този начин те успяха да изведат загубата на енергия на електроните в момента, в който са възникнали сблъсъците.
Материал
Триодната група се съдържаше в стъклена капсула, съдържаща живак. Възможно е този експеримент да се проведе при различни температури и е важно тези резултати да се сравнят с измерване при стайна температура, при която живакът ще бъде в течно състояние.
Когато живакът се нагрее до температура от 630 K, той се превръща в газ. Но за да се избегне необходимостта да се достигне тази температура, е възможно да се работи с намалено налягане вътре в капсулата и тя може да се нагрее до температура, която варира между 100 и 200 °C.
За да бъдат извлечени електроните и за да достигнете съответната скорост, трябва да се използва напрежение, което ще бъде разположено между катода и мрежата, което ще бъде напрежение на ускорение, произвеждащо ондас де радио. По същия начин може да е интересно да се постави напрежение в обратна посока, между анода и мрежата, за да се забавят електроните.
Резултатите от експеримента на Херц
Както е обяснено в Биографията на Херц, резултатът от този експеримент е, че ще бъде възможно да се представи начина, по който потенциалната разлика, която ще бъде резултат от преобразувател на ток-напрежение, който е поставен на анодния изход, еволюира по отношение на разликата в потенциала на извличане на електрони от катод.
За да се получат ниски потенциални разлики, до 4,9 V, токът, протичащ през тръбата, се увеличава постоянно с увеличаване на потенциалната разлика. С по-високото напрежение електрическото поле в тръбата се увеличава и електроните ще бъдат привлечени с по-голяма сила към ускорителната мрежа. В този случай се наблюдава, че при 4,9 волта токът пада внезапно, почти обратно до нула.
Токът ще нараства стабилно, ако напрежението продължи да нараства, докато се достигне 9.8 волта, което е точно два пъти първия обем на използвания ток и можем да видим, че подобен внезапен спад се случва при 9.8 волта. Тази серия от спадания на тока за стъпки от около 4.9 волта ще задържи видимо до потенциали от поне около 100 волта.
Интерпретация на резултатите от експеримента на Херц
Франк и Херц успяха да обяснят своите експерименти при условия на еластичен сблъсък и нееластичен сблъсък на електрони. При ниски потенциали ускорените електрони придобиват само умерено количество кинетична енергия. Когато се изправиха срещу атомите на живак в стъклената тръба, те направиха само еластични сблъсъци.
Това има своята причина да бъде в прогнозата на квантовата механика, която показва, че един атом не е в състояние да абсорбира никаква енергия, докато енергията на сблъсъка не надвиши стойността, необходима за възбуждане на електрон, който е свързан със споменатия атом в по-висок енергиен слой.
Само за еластични сблъсъци, абсолютното количество кинетична енергия в системата остава същото. Тъй като електроните имат маса, която е около хиляда пъти по-лека от по-малко масивните атоми, това означава, че повечето от електроните са запазили кинетичната си енергия, превръщайки се в херцови вълни. По-високите потенциали водят до задвижване на повече електрони от мрежата към анода и също така успяват да увеличат наблюдавания ток, докато потенциалът на ускорение достигне 4.9 волта.
Най-ниската енергия на електронно възбуждане, която живачен атом може да има, се нуждае от 4,9 електрон волта (eV). В случай, когато ускорителната мощност достигна 4.9 волта, всеки свободен електрон абсорбира точно 4.9 eV кинетична енергия, над неговата енергия на покой при тази температура, докато достигне мрежата.
Поради тази причина сблъсъкът между живачен атом и свободен електрон може да бъде нееластичен по това време, тоест кинетичната енергия на свободния електрон може да се превърне в потенциална енергия чрез възбуждане на енергийното ниво на електрон, който има живачен атом . Когато цялата му кинетична енергия е загубена, свободният електрон не е в състояние да преодолее леката отрицателна мощност на заземяващия електрод и електрическият ток пада рязко.
Когато напрежението се увеличи, електроните образуват нееластичен сблъсък, губят своя кинетичен потенциал от 4.9 eV, но след това остават в ускорено състояние. По този начин измерваният ток се повишава отново при увеличаване на потенциала за ускорение, започвайки от 4.9 V. Когато се достигне 9.8 V, ситуацията отново се променя.
В този момент всеки електрон има необходимата енергия, за да бъде част от два нееластични сблъсъка, които успяват да възбудят два живачни атома и след това да загубят цялата си кинетична енергия. Това обяснява наблюдаваното намаляване на тока. В интервали от 4.9 волта тази процедура ще се повтори, защото електроните ще претърпят по-нататъшен нееластичен сблъсък.
