Coneix a Experiment de Franck i Hertz

Saps què és el experiment de Hertz? Va ser un que van realitzar per primera vegada el 1914 els científics James Franck i Gustav Ludwig Hertz, que va tenir com a finalitat establir la quantització dels nivells d'energia dels electrons presents als àtoms.

Experiment de Hertz

Experiment de Franck i Hertz

L'experiment de Hertz va poder confirmar el model quàntic de l'àtom de Bohr, provant que els àtoms només eren capaços d'absorbir munts específics d'energia que se'n diuen quants. Per això, aquest és un dels experiments essencials per a la física quàntica. Per aquesta investigació, Franck i Hertz van obtenir el premi Nobel de física l'any 1925.

Història, Qui va ser Hertz?

L'any de 1913, Niels Bohr va propugnar l'existència d'un nou model d'àtom, anomenat després el Model Atòmic de Bohr, i va proposar l'existència de les òrbites dels electrons, que va tenir com a model el Model Atòmic de Rutherford, molt semblant a un sistema planetari. Amb el seu model va proposar quatre postulats, un dels quals estava relacionat amb la quantització de les òrbites dels electrons.

D'aquesta manera, els primers experiments tenien com a objectiu poder comprovar aquesta quantització. En els primers experiments es feia servir la llum, ja que en aquell temps era conegut que la llum estava conformada per quants d'energia. Per aquesta raó, es critica a Bohr que els resultats de la quantització de les òrbites, i per tant, de la quantització dels estats d'energia dels electrons de l'àtom, tenien l'origen només en la quantització de la llum.

L'any 1914, Franck i Hertz, que feien treballs sobre les energies d'ionització dels àtoms, van idear un experiment en què feien servir els nivells d'energia de l'àtom de mercuri. La seva prova només utilitzava electrons i àtoms de mercuri, són utilitzar cap llum. Bohr va obtenir així la demostració irrefutable del seu model atòmic.

L'experiment de Hertz a la pràctica

Al principi, amb la finalitat de poder demostrar la quantització dels nivells d'energia, van fer servir un triode, conformat per un càtode, d'una reixeta polaritzada i d'un ànode, que és capaç de crear un feix d'electrons dins d'un tub de buit que contenia mercuri en estat gasós.

Van procedir llavors a mesurar la modificació del corrent que rebia l'ànode d'acord amb l'energia cinètica que posseeixen els electrons, i així van poder deduir la pèrdua d'energia dels electrons en el moment que passaven les col·lisions.

material

El grup del triode estava contingut dins una càpsula de vidre que tenia mercuri. És possible efectuar aquest experiment a temperatures diferents i és important poder fer una comparació d'aquests resultats amb una mesura a temperatura ambient, en què el mercuri es trobarà en estat líquid.

Quan el mercuri s'escalfa a una temperatura de 630 K, es torna gasós. Però per evadir que s'hagi d'arribar a aquesta temperatura, es pot treballar amb una pressió reduïda a l'interior de la càpsula i es pot escalfar a una temperatura que oscil·la entre els 100 i els 200 °C.

Perquè els electrons siguin extrets i perquè aconsegueixis una velocitat que sigui rellevant, cal utilitzar una tensió que s'ubicarà entre el càtode i la reixeta, que serà una tensió d'acceleració, produint-se ones de radio. De la mateixa manera, pot ser interessant col·locar una tensió en sentit contrari, entre l'ànode i la reixeta, amb l'objectiu de desaccelerar els electrons.

Els resultats de l'experiment de Hertz

Tal com s'explica a la biografia de Hertz, el resultat d'aquest experiment és que serà possible poder representar la manera com evoluciona la diferència de potencial que resultarà d'un convertidor de corrent – ​​tensió que es col·loca a la sortida de l'ànode, en relació amb la diferència de potencial d'extracció dels electrons des del càtode.

Els Experiment de Hertz i Franck més coneguts

Per obtenir les diferències de potencial baixes, fins a 4,9 V, el corrent que flueix per mitjà del tub augmenta de manera constant juntament amb l'increment de la diferència potencial. Amb el voltatge més alt s'incrementa el camp elèctric al tub i els electrons seran extrets amb més força cap a la reixeta d'acceleració. En aquest cas, s'observa que als 4,9 volts, el corrent cau de cop i volta, gairebé de nou a zero.

El corrent s'incrementarà de forma constant si el voltatge se segueix incrementant, fins que s'assoleix els 9.8 volts, que és el doble exacte del primer volum de corrent utilitzat, i podrem observar que als 9.8 volts ocorre una caiguda sobtada semblant. Aquesta sèrie de descensos del corrent per a increments al voltant de 4.9 volts es mantindrà de forma observable fins a potencials d'almenys uns 100 volts.

Interpretació dels resultats de l'experiment de Hertz

Franck i Hertz van poder explicar les seves experimentacions en condicions de col·lisió elàstica i col·lisió inelàstica dels electrons. En el cas dels baixos potencials, els electrons accelerats van adquirir únicament una quantia moderada d'energia cinètica. Quan es van enfrontar als àtoms del mercuri al tub de vidre, es van efectuar col·lisions únicament elàstiques.

Això té la seva raó de ser en la predicció de la mecànica quàntica que indicava que un àtom no és capaç d'absorbir cap energia fins que l'energia de la col·lisió superi el valor que es requereix per excitar un electró que estigui enllaçat a aquest àtom a un estrat duna energia més gran.

En el cas de les col·lisions únicament elàstiques, la quantia absoluta denergia cinètica dins del sistema continua sent la mateixa. Com que els electrons tenen una massa que és unes mil vegades més lleugera que els àtoms menys massius, això vol dir que la majoria dels electrons van conservar la seva energia cinètica, convertint-se en ones Hertz. Els potencials més alts van tenir com a resultat conduir més electrons de la reixeta a l'ànode i també van aconseguir incrementar el corrent observat, fins que el potencial d'acceleració va arribar als 4.9 volts.

L'energia d'excitació electrònica més minvada que un àtom de mercuri pot tenir necessita 4,9 electrovolts (eV). En el cas que la potència d'acceleració va arribar als 4.9 volts, cada electró lliure va absorbir de manera exacta 4.9 eV d'energia cinètica, per sobre de la seva energia en repòs a aquesta temperatura, al moment que va arribar a la reixeta.

Per aquesta raó, un xoc entre un àtom de mercuri i un electró lliure pot ser inelàstica en aquest moment, és a dir, l'energia cinètica d'un electró lliure es pot tornar en energia potencial en excitar el nivell d'energia d'un electró que posseeix un àtom de mercuri. Quan es perd tota la seva energia cinètica, l'electró lliure no és capaç de superar la potència negativa lleu a l'elèctrode a terra, i el corrent elèctric baixa estrepitosament.

Quan s'augmenta el voltatge, els electrons conformen una col·lisió inelàstica, perden el potencial cinètic d'eV 4.9, però després romanen en un estat accelerat. D'aquesta manera, el corrent que es mesura s'eleva de nou quan s'incrementa el potencial d'acceleració, a partir de 4.9 V. Quan arriben als 9.8 V, la situació es torna a modificar.

En aquest moment, cada electró posseeix l'energia necessària per formar part de dues col·lisions inelàstiques, cosa que aconsegueix excitar dos àtoms de mercuri, per després perdre tota la seva energia cinètica. Això dóna l'explicació als descensos de corrent observats. En els intervals de 4.9 volts, aquest procediment es repetirà, ja que els electrons experimentaran una col·lisió inelàstica addicional.


Sigues el primer a comentar

Deixa el teu comentari

La seva adreça de correu electrònic no es publicarà. Els camps obligatoris estan marcats amb *

*

*

  1. Responsable de les dades: Actualitat Bloc
  2. Finalitat de les dades: Controlar l'SPAM, gestió de comentaris.
  3. Legitimació: El teu consentiment
  4. Comunicació de les dades: No es comunicaran les dades a tercers excepte per obligació legal.
  5. Emmagatzematge de les dades: Base de dades allotjada en Occentus Networks (UE)
  6. Drets: En qualsevol moment pots limitar, recuperar i esborrar la teva informació.