Seznamte se s experimentem Francka a Hertze

Víš co hertzový experiment? Byla to studie, kterou poprvé provedli v roce 1914 vědci James Franck a Gustav Ludwig Hertz, jejímž účelem bylo stanovit kvantování energetických hladin elektronů přítomných v atomech.

Hertzův experiment

Franckův a Hertzův experiment

Hertzův experiment byl schopen potvrdit Bohrův kvantový model atomu a dokázal, že atomy byly schopny absorbovat pouze specifické množství energie zvané kvanta. Z toho důvodu se jedná o jeden ze zásadních experimentů pro kvantovou fyziku. Za tento výzkum byli Franck a Hertz v roce 1925 oceněni Nobelovou cenou za fyziku.

Historie, kdo byl Hertz?

V roce 1913 Niels Bohr obhajoval existenci nového modelu atomu, později nazývaného Atomový model Bohr, a navrhl existenci elektronových drah, které měly za model Rutherfordův atomový model, podobně jako planetární systém. Se svým modelem navrhl čtyři postuláty, z nichž jeden souvisel s kvantováním drah elektronů.

Tímto způsobem první experimenty směřovaly k tomu, aby bylo možné tuto kvantizaci ověřit. V prvních experimentech bylo použito světlo, protože v té době bylo známo, že světlo je tvořeno kvanty energie. Z tohoto důvodu je Bohrovi vytýkáno, že výsledky kvantování drah, a tedy i kvantování energetických stavů elektronů atomu, měly svůj původ pouze v kvantování světla.

V roce 1914 Franck a Hertz, kteří pracovali na ionizačních energiích atomů, vymysleli experiment využívající energetické hladiny atomu rtuti. Jeho test používal pouze elektrony a atomy rtuti, bez použití jakéhokoli světla. Bohr tak získal nezvratnou demonstraci svého atomového modelu.

Hertzův experiment v praxi

Nejprve k demonstraci kvantování energetických hladin použili triodu složenou z katody, polarizované mřížky a anody, která je schopna vytvořit elektronový paprsek uvnitř vakuové trubice obsahující rtuť v plynném stavu .

Poté přistoupili k měření modifikace proudu přijímaného anodou podle kinetické energie, kterou mají elektrony, a tak byli schopni odvodit ztrátu energie elektronů v okamžiku, kdy ke srážkám došlo.

Materiál

Triodová skupina byla obsažena ve skleněné kapsli obsahující rtuť. Tento experiment je možné provádět při různých teplotách a je důležité mít možnost porovnat tyto výsledky s měřením při pokojové teplotě, ve kterém bude rtuť v kapalném stavu.

Když se rtuť zahřeje na teplotu 630 K, stane se plynem. Aby se ale nemuselo dosáhnout této teploty, je možné pracovat se sníženým tlakem uvnitř kapsle a lze ji zahřát na teplotu, která se pohybuje mezi 100 a 200 °C.

Aby byly elektrony extrahovány a abyste dosáhli příslušné rychlosti, musí být použito napětí, které se bude nacházet mezi katodou a mřížkou, což bude urychlovací napětí, produkující rádiové vlny. Stejně tak může být zajímavé umístit napětí v opačném směru, mezi anodu a mřížku, aby se elektrony zpomalily.

Výsledky Hertzova experimentu

Jak je vysvětleno v Hertzův životopisvýsledkem tohoto experimentu je, že bude možné znázornit způsob, jakým se vyvine rozdíl potenciálů, který bude výsledkem měniče proudu a napětí, který je umístěn na výstupu anody, ve vztahu k rozdílu extrakčního potenciálu elektronů z katoda.

Nejznámější Hertzovy a Franckovy experimenty

Pro dosažení nízkých rozdílů potenciálu až do 4,9 V se proud protékající trubicí neustále zvyšuje s rostoucím rozdílem potenciálu. S vyšším napětím se elektrické pole v trubici zvyšuje a elektrony budou přitahovány větší silou k urychlovací mřížce. V tomto případě je pozorováno, že při 4,9 voltu proud náhle klesne, téměř zpět na nulu.

Proud se bude neustále zvyšovat, pokud se napětí bude dále zvyšovat, dokud nebude dosaženo 9.8 voltů, což je přesně dvojnásobek prvního použitého objemu proudu, a můžeme vidět, že k podobnému náhlému poklesu dochází při 9.8 voltu. Tato série poklesů proudu pro přírůstky asi 4.9 voltů se bude pozorovatelně udržovat na potenciálech alespoň asi 100 voltů.

Interpretace výsledků Hertzova experimentu

Franck a Hertz byli schopni vysvětlit své experimenty za podmínek elastické srážky a nepružné srážky elektronů. Při nízkých potenciálech získávaly urychlené elektrony jen malé množství kinetické energie. Když se střetli s atomy rtuti ve skleněné trubici, došlo pouze k elastickým srážkám.

To má svůj důvod v predikci kvantové mechaniky, která naznačovala, že atom není schopen absorbovat žádnou energii, dokud energie srážky nepřekročí hodnotu potřebnou k excitaci elektronu, který je navázán na atom ve vrstvě s vyšší energií.

Pouze pro elastické srážky zůstává absolutní množství kinetické energie v systému stejné. Protože elektrony mají hmotnost, která je asi tisíckrát lehčí než méně hmotné atomy, znamená to, že většina elektronů si zachovala svou kinetickou energii. hertzových vln. Vyšší potenciály vedly k vyvedení více elektronů z mřížky k anodě a také se podařilo zvýšit pozorovaný proud, dokud potenciál zrychlení nedosáhl 4.9 voltů.

Nejnižší elektronická excitační energie, kterou může mít atom rtuti, potřebuje 4,9 elektronvoltů (eV). V případě, že urychlovací výkon dosáhl 4.9 voltů, absorboval každý volný elektron přesně 4.9 eV kinetické energie nad svou klidovou energii při dané teplotě, než dosáhl sítě.

Z tohoto důvodu může být srážka mezi atomem rtuti a volným elektronem v té době nepružná, to znamená, že kinetická energie volného elektronu se může přeměnit na potenciální energii vybuzením energetické hladiny elektronu, který má atom rtuti. . Když se ztratí veškerá jeho kinetická energie, volný elektron není schopen překonat nepatrný záporný výkon na zemní elektrodě a elektrický proud prudce klesá.

Když se napětí zvýší, elektrony vytvoří nepružnou srážku, ztratí svůj kinetický potenciál 4.9 eV, ale poté zůstanou ve zrychleném stavu. Tímto způsobem měřený proud opět stoupá při zvýšení potenciálu zrychlení, počínaje od 4.9 V. Po dosažení 9.8 V se situace opět změní.

V tu chvíli má každý elektron potřebnou energii, aby byl součástí dvou nepružných srážek, kterým se podaří vybudit dva atomy rtuti, a pak ztratit veškerou kinetickou energii. To vysvětluje pozorovaný pokles proudu. V 4.9 voltových intervalech se tento postup bude opakovat, protože elektrony zažijí další nepružnou srážku.


Buďte první komentář

Zanechte svůj komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Povinné položky jsou označeny *

*

*

  1. Odpovědný za data: Actualidad Blog
  2. Účel údajů: Ovládací SPAM, správa komentářů.
  3. Legitimace: Váš souhlas
  4. Sdělování údajů: Údaje nebudou sděleny třetím osobám, s výjimkou zákonných povinností.
  5. Úložiště dat: Databáze hostovaná společností Occentus Networks (EU)
  6. Práva: Vaše údaje můžete kdykoli omezit, obnovit a odstranit.