Ξέρετε τι είναι πείραμα hertz? Ήταν μια μελέτη που πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1914 από τους επιστήμονες James Franck και Gustav Ludwig Hertz, σκοπός της οποίας ήταν να καθορίσει την κβαντοποίηση των ενεργειακών επιπέδων των ηλεκτρονίων που υπάρχουν στα άτομα.
Πείραμα Franck και Hertz
Το πείραμα του Hertz μπόρεσε να επιβεβαιώσει το κβαντικό μοντέλο του ατόμου του Bohr, αποδεικνύοντας ότι τα άτομα ήταν ικανά να απορροφούν μόνο συγκεκριμένες ποσότητες ενέργειας που ονομάζονται κβάντα. Για αυτόν τον λόγο, αυτό είναι ένα από τα βασικά πειράματα για την κβαντική φυσική. Για αυτήν την έρευνα, ο Franck και ο Hertz τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής το 1925.
Ιστορία, Ποιος ήταν ο Χερτζ;
Το έτος 1913, ο Niels Bohr υποστήριξε την ύπαρξη ενός νέου μοντέλου του ατόμου, που αργότερα ονομάστηκε Ατομικό μοντέλο Bohr, και πρότεινε την ύπαρξη τροχιών ηλεκτρονίων, που είχαν ως πρότυπο το Ατομικό μοντέλο Rutherford, σαν ένα πλανητικό σύστημα. Με το μοντέλο του πρότεινε τέσσερα αξιώματα, ένα από τα οποία σχετίζεται με την κβαντοποίηση των τροχιών των ηλεκτρονίων.
Με αυτόν τον τρόπο, τα πρώτα πειράματα είχαν ως στόχο να μπορέσουν να επαληθεύσουν αυτή την κβαντοποίηση. Στα πρώτα πειράματα χρησιμοποιήθηκε φως, αφού εκείνη την εποχή ήταν γνωστό ότι το φως αποτελούνταν από κβάντα ενέργειας. Για το λόγο αυτό, ο Bohr επικρίνεται για το γεγονός ότι τα αποτελέσματα της κβαντοποίησης των τροχιών, άρα και της κβαντοποίησης των ενεργειακών καταστάσεων των ηλεκτρονίων του ατόμου, είχαν την προέλευσή τους μόνο στην κβαντοποίηση του φωτός.
Το 1914, ο Franck και ο Hertz, που εργάζονταν για τις ενέργειες ιονισμού των ατόμων, επινόησαν ένα πείραμα χρησιμοποιώντας τα ενεργειακά επίπεδα του ατόμου υδραργύρου. Η δοκιμή του χρησιμοποίησε μόνο ηλεκτρόνια και άτομα υδραργύρου, χωρίς τη χρήση φωτός. Ο Μπορ απέκτησε έτσι την αδιαμφισβήτητη επίδειξη του ατομικού του μοντέλου.
Το πείραμα Hertz στην πράξη
Αρχικά, για να δείξουν την κβαντοποίηση των ενεργειακών επιπέδων, χρησιμοποίησαν μια τρίοδο, που αποτελείται από μια κάθοδο, ένα πολωμένο πλέγμα και μια άνοδο, η οποία είναι ικανή να δημιουργήσει μια δέσμη ηλεκτρονίων μέσα σε ένα σωλήνα κενού που περιέχει υδράργυρο σε αέρια κατάσταση .
Στη συνέχεια προχώρησαν στη μέτρηση της τροποποίησης του ρεύματος που λάμβανε η άνοδος σύμφωνα με την κινητική ενέργεια που κατείχαν τα ηλεκτρόνια, και έτσι μπόρεσαν να συναγάγουν την απώλεια ενέργειας των ηλεκτρονίων τη στιγμή που συνέβησαν οι συγκρούσεις.
Υλικό
Η ομάδα τριόδου περιείχε μια γυάλινη κάψουλα που περιείχε υδράργυρο. Είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί αυτό το πείραμα σε διαφορετικές θερμοκρασίες και είναι σημαντικό να μπορούμε να συγκρίνουμε αυτά τα αποτελέσματα με μια μέτρηση σε θερμοκρασία δωματίου, στην οποία ο υδράργυρος θα βρίσκεται σε υγρή κατάσταση.
Όταν ο υδράργυρος θερμαίνεται σε θερμοκρασία 630 K, μετατρέπεται σε αέριο. Αλλά για να αποφύγετε την επίτευξη αυτής της θερμοκρασίας, είναι δυνατό να εργαστείτε με μειωμένη πίεση μέσα στην κάψουλα και μπορεί να θερμανθεί σε θερμοκρασία που κυμαίνεται μεταξύ 100 και 200 °C.
Για να εξαχθούν τα ηλεκτρόνια και να φτάσετε σε μια σχετική ταχύτητα, πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια τάση που θα βρίσκεται μεταξύ της καθόδου και του δικτύου, η οποία θα είναι μια τάση επιτάχυνσης, που παράγει ραδιοκύματα. Με τον ίδιο τρόπο, μπορεί να είναι ενδιαφέρον να τοποθετηθεί μια τάση προς την αντίθετη κατεύθυνση, μεταξύ της ανόδου και του δικτύου, προκειμένου να επιβραδυνθούν τα ηλεκτρόνια.
Τα αποτελέσματα του πειράματος Hertz
Όπως εξηγείται στο Η βιογραφία του Hertz, το αποτέλεσμα αυτού του πειράματος είναι ότι θα είναι δυνατό να αναπαρασταθεί ο τρόπος με τον οποίο εξελίσσεται η διαφορά δυναμικού που θα προκύψει από έναν μετατροπέα ρεύματος-τάσης που τοποθετείται στην έξοδο της ανόδου, σε σχέση με τη διαφορά δυναμικού εξαγωγής των ηλεκτρονίων από το κάθοδος.
Για να επιτευχθούν χαμηλές διαφορές δυναμικού, έως και 4,9 V, το ρεύμα που ρέει μέσω του σωλήνα αυξάνεται σταθερά με την αύξηση της διαφοράς δυναμικού. Με την υψηλότερη τάση το ηλεκτρικό πεδίο στο σωλήνα αυξάνεται και τα ηλεκτρόνια θα έλκονται με περισσότερη δύναμη προς το πλέγμα επιτάχυνσης. Σε αυτή την περίπτωση, βλέπετε ότι στα 4,9 βολτ, το ρεύμα πέφτει απότομα, σχεδόν ξανά στο μηδέν.
Το ρεύμα θα αυξάνεται σταθερά εάν η τάση συνεχίσει να αυξάνεται, μέχρι να φτάσουμε στα 9.8 βολτ, που είναι ακριβώς το διπλάσιο του πρώτου όγκου του ρεύματος που χρησιμοποιείται, και μπορούμε να δούμε ότι μια παρόμοια ξαφνική πτώση συμβαίνει στα 9.8 βολτ. Αυτή η σειρά πτώσεων ρεύματος για αυξήσεις περίπου 4.9 βολτ θα συγκρατηθεί αισθητά σε δυναμικά τουλάχιστον περίπου 100 βολτ.
Ερμηνεία των αποτελεσμάτων του πειράματος Hertz
Ο Franck και ο Hertz μπόρεσαν να εξηγήσουν τα πειράματά τους υπό συνθήκες ελαστικής σύγκρουσης και ανελαστικής σύγκρουσης ηλεκτρονίων. Σε χαμηλά δυναμικά, τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια απέκτησαν μόνο μια μέτρια ποσότητα κινητικής ενέργειας. Όταν αντιμετώπισαν τα άτομα υδραργύρου στον γυάλινο σωλήνα, έκαναν μόνο ελαστικές συγκρούσεις.
Αυτό έχει τον λόγο του ότι είναι στην πρόβλεψη της κβαντομηχανικής που έδειξε ότι ένα άτομο δεν είναι ικανό να απορροφήσει ενέργεια έως ότου η ενέργεια της σύγκρουσης υπερβεί την τιμή που απαιτείται για να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο που είναι δεσμευμένο στο εν λόγω άτομο σε ένα στρώμα υψηλότερης ενέργειας.
Μόνο για ελαστικές συγκρούσεις, η απόλυτη ποσότητα κινητικής ενέργειας εντός του συστήματος παραμένει η ίδια. Επειδή τα ηλεκτρόνια έχουν μάζα που είναι περίπου χίλιες φορές ελαφρύτερη από τα άτομα με μικρότερη μάζα, αυτό σημαίνει ότι τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια διατήρησαν την κινητική τους ενέργεια. κύματα hertz. Τα υψηλότερα δυναμικά είχαν ως αποτέλεσμα την οδήγηση περισσότερων ηλεκτρονίων από το πλέγμα στην άνοδο και επίσης πέτυχαν να αυξήσουν το παρατηρούμενο ρεύμα, έως ότου το δυναμικό επιτάχυνσης έφτασε τα 4.9 βολτ.
Η χαμηλότερη ενέργεια ηλεκτρονικής διέγερσης που μπορεί να έχει ένα άτομο υδραργύρου χρειάζεται 4,9 ηλεκτρον βολτ (eV). Στην περίπτωση που η επιταχυνόμενη ισχύς έφτασε τα 4.9 βολτ, κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο απορρόφησε ακριβώς 4.9 eV κινητικής ενέργειας, πάνω από την ενέργεια ηρεμίας σε αυτή τη θερμοκρασία, μέχρι να φτάσει στο δίκτυο.
Για το λόγο αυτό, μια σύγκρουση μεταξύ ενός ατόμου υδραργύρου και ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου μπορεί να είναι ανελαστική εκείνη τη στιγμή, δηλαδή, η κινητική ενέργεια ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου μπορεί να μετατραπεί σε δυναμική ενέργεια διεγείροντας το επίπεδο ενέργειας ενός ηλεκτρονίου που έχει άτομο υδραργύρου . Όταν χάνεται όλη η κινητική του ενέργεια, το ελεύθερο ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να υπερνικήσει την ελαφρά αρνητική ισχύ στο ηλεκτρόδιο γείωσης και το ηλεκτρικό ρεύμα πέφτει απότομα.
Όταν η τάση αυξάνεται, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν μια ανελαστική σύγκρουση, χάνουν το κινητικό τους δυναμικό των 4.9 eV, αλλά στη συνέχεια παραμένουν σε επιταχυνόμενη κατάσταση. Με αυτόν τον τρόπο, το ρεύμα που μετράται αυξάνεται ξανά όταν αυξάνεται το δυναμικό επιτάχυνσης, ξεκινώντας από τα 4.9 V. Όταν φτάσουμε στα 9.8 V, η κατάσταση αλλάζει ξανά.
Εκείνη τη στιγμή, κάθε ηλεκτρόνιο έχει την απαραίτητη ενέργεια για να είναι μέρος δύο ανελαστικών συγκρούσεων, οι οποίες καταφέρνουν να διεγείρουν δύο άτομα υδραργύρου και στη συνέχεια να χάσουν όλη την κινητική τους ενέργεια. Αυτό εξηγεί την παρατηρούμενη μείωση του ρεύματος. Στα διαστήματα των 4.9 volt, αυτή η διαδικασία θα επαναληφθεί, επειδή τα ηλεκτρόνια πρόκειται να βιώσουν μια περαιτέρω ανελαστική σύγκρουση.
