Ved du hvad hertz eksperiment? Det var en undersøgelse udført for første gang i 1914 af videnskabsmændene James Franck og Gustav Ludwig Hertz, hvis formål var at fastslå kvantiseringen af energiniveauerne for elektronerne i atomer.
Franck og Hertz eksperimenterer
Hertz' eksperiment var i stand til at bekræfte Bohrs kvantemodel af atomet, hvilket beviste, at atomer kun var i stand til at absorbere specifikke mængder energi kaldet kvanter. Af den grund er dette et af de væsentlige eksperimenter for kvantefysik. For denne forskning blev Franck og Hertz tildelt Nobelprisen i fysik i 1925.
Historie, hvem var Hertz?
I år 1913 talte Niels Bohr for eksistensen af en ny model af atomet, senere kaldet Bohr Atomic Model, og foreslog eksistensen af elektronbaner, som havde som model Rutherford atommodel, meget ligesom et planetsystem. Med sin model foreslog han fire postulater, hvoraf det ene var relateret til kvantiseringen af elektronernes baner.
På denne måde havde de første forsøg til formål at kunne verificere denne kvantisering. I de første forsøg brugte man lys, da man på det tidspunkt vidste, at lys bestod af energikvanter. Af denne grund kritiseres Bohr for, at resultaterne af kvantiseringen af banerne, og derfor kvantiseringen af energitilstandene for atomets elektroner, kun havde deres oprindelse i kvantiseringen af lys.
I 1914 udtænkte Franck og Hertz, som arbejdede på atomernes ioniseringsenergier, et eksperiment med brug af kviksølvatomets energiniveauer. Hans test brugte kun elektroner og kviksølvatomer uden brug af lys. Bohr opnåede således den uigendrivelige demonstration af sin atommodel.
Hertz' eksperiment i praksis
Først, for at demonstrere kvantiseringen af energiniveauer, brugte de en triode, bestående af en katode, et polariseret gitter og en anode, som er i stand til at skabe en elektronstråle inde i et vakuumrør. indeholdende kviksølv i en gasformig tilstand .
De fortsatte derefter med at måle modifikationen af strømmen modtaget af anoden i henhold til den kinetiske energi, som elektronerne besad, og dermed var de i stand til at udlede elektronernes energitab i det øjeblik, hvor kollisionerne fandt sted.
Materiale
Triodegruppen var indeholdt i en glaskapsel indeholdende kviksølv. Det er muligt at udføre dette forsøg ved forskellige temperaturer, og det er vigtigt at kunne sammenligne disse resultater med en måling ved stuetemperatur, hvor kviksølvet vil være i flydende tilstand.
Når kviksølv opvarmes til en temperatur på 630 K, bliver det til en gas. Men for at undgå at skulle nå den temperatur, er det muligt at arbejde med et reduceret tryk inde i kapslen, og den kan opvarmes til en temperatur, der ligger mellem 100 og 200 °C.
For at elektronerne kan udvindes, og for at du kan nå en relevant hastighed, skal der bruges en spænding, der vil være placeret mellem katoden og gitteret, hvilket vil være en accelerationsspænding, der producerer radiobølger. På samme måde kan det være interessant at placere en spænding i den modsatte retning, mellem anoden og gitteret, for at bremse elektronerne.
Resultaterne af Hertz-eksperimentet
Som forklaret i Hertz biografi, er resultatet af dette eksperiment, at det vil være muligt at repræsentere den måde, hvorpå den potentialforskel, der vil følge af en strøm-spændingsomformer, der er placeret ved anodeudgangen, udvikler sig, i forhold til ekstraktionspotentialeforskellen af elektroner fra katode.
For at opnå lave potentialforskelle, ned til 4,9 V, stiger strømmen, der løber gennem røret, støt med stigende potentialforskel. Med den højere spænding øges det elektriske felt i røret, og elektronerne vil blive trukket med mere kraft mod accelerationsgitteret. I dette tilfælde observeres det, at ved 4,9 volt falder strømmen pludseligt, næsten tilbage til nul.
Strømmen vil stige støt, hvis spændingen fortsætter med at stige, indtil 9.8 volt er nået, hvilket er præcis det dobbelte af den første mængde strøm, der blev brugt, og vi kan se, at et tilsvarende pludseligt fald sker ved 9.8 volt. Denne serie af strømfald i trin på ca. 4.9 volt vil holde sig observerbart nede på potentialer på mindst ca. 100 volt.
Fortolkning af resultaterne af Hertz-eksperimentet
Franck og Hertz var i stand til at forklare deres eksperimenter under forhold med elastisk kollision og uelastisk kollision af elektroner. Ved lave potentialer erhvervede de accelererede elektroner kun en moderat mængde kinetisk energi. Da de konfronterede kviksølvatomerne i glasrøret, lavede de kun elastiske kollisioner.
Dette har sin grund til at være i forudsigelsen af kvantemekanikken, der indikerede, at et atom ikke er i stand til at absorbere nogen energi, før kollisionsenergien overstiger den værdi, der kræves for at excitere en elektron, der er bundet til nævnte atom ved et højere energilag.
Kun for elastiske kollisioner forbliver den absolutte mængde kinetisk energi i systemet den samme. Fordi elektroner har en masse, der er omkring tusind gange lettere end mindre massive atomer, betyder det, at de fleste af elektronerne beholdt deres kinetiske energi og blev hertz bølger. Højere potentialer resulterede i at drive flere elektroner fra nettet til anoden og det lykkedes også at øge den observerede strøm, indtil accelerationspotentialet nåede 4.9 volt.
Den laveste elektroniske excitationsenergi et kviksølvatom kan have, kræver 4,9 elektronvolt (eV). I det tilfælde, hvor accelerationseffekten nåede 4.9 volt, absorberede hver fri elektron nøjagtigt 4.9 eV kinetisk energi, over sin hvileenergi ved den temperatur, på det tidspunkt, den nåede nettet.
Af denne grund kan en kollision mellem et kviksølvatom og en fri elektron være uelastisk på det tidspunkt, det vil sige, at den kinetiske energi af en fri elektron kan omdannes til potentiel energi ved at excitere energiniveauet af en elektron, der har et kviksølvatom . Når al dens kinetiske energi er tabt, er den frie elektron ude af stand til at overvinde den lille negative effekt ved jordelektroden, og den elektriske strøm falder brat.
Når spændingen øges, danner elektronerne en uelastisk kollision, mister deres kinetiske potentiale på 4.9 eV, men forbliver derefter i en accelereret tilstand. På den måde stiger den målte strøm igen, når accelerationspotentialet øges, startende fra 4.9 V. Når 9.8 V nås, ændres situationen igen.
I det øjeblik har hver elektron den nødvendige energi til at være en del af to uelastiske kollisioner, som formår at excitere to kviksølvatomer og derefter miste al deres kinetiske energi. Det er det, der forklarer de observerede strømfald. I intervallerne på 4.9 volt vil denne procedure gentage sig selv, fordi elektronerne kommer til at opleve en yderligere uelastisk kollision.
