¿Sabes qué es el experimento de Hertz? Fue un que realizaron por primera vez en 1914 los científico James Franck y Gustav Ludwig Hertz, que tuvo como finalidad establecer la cuantización de los niveles de energía de los electrones presentes en los átomos.
Experimento de Franck y Hertz
El experimento de Hertz pudo confirmar el modelo cuántico del átomo de Bohr, probando que los átomos solo eran capaces de absorber montos específicos de energía que se llaman cuantos. Por esa razón, este es uno de los experimentos esenciales para la física cuántica. Por causa de esta investigación Franck y Hertz obtuvieron el premio Nobel de física en el año 1925.
Historia, ¿Quién fue Hertz?
En el año de 1913, Niels Bohr propugnó la existencia de un nuevo modelo de átomo, llamado luego el Modelo Atómico de Bohr, y propuso la existencia de las órbitas de los electrones, que tuvo como modelo el Modelo Atómico de Rutherford, muy parecido a un sistema planetario. Con su modelo propuso cuatro postulados, uno de los cuales estaba relacionado con la cuantización de las órbitas de los electrones.
De esa manera, los primeros experimentos tenían como objetivo poder comprobar esta cuantización. En los primeros experimentos se utilizaba la luz, ya que en ese tiempo era conocido que la luz estaba conformada por cuantos de energía. Por esa razón, se le critica a Bohr que los resultados de la cuantización de las órbitas, y por ende, de la cuantización de los estados de energía de los electrones del átomo, tenían su origen sólo en la cuantización de la luz.
En el año 1914, Franck y Hertz, que hacían trabajos sobre las energías de ionización de los átomos, idearon un experimento en el que empleaban los niveles de energía del átomo de mercurio. Su prueba sólo utilizaba electrones y átomos de mercurio, son utilizar luz alguna. Bohr obtuvo de esa manera la demostración irrefutable de su modelo atómico.
El experimento de Hertz en la práctica
Al principio, con la finalidad de poder demostrar la cuantización de los niveles de energía, emplearon un tríodo, conformado por un cátodo, de una rejilla polarizada y de un ánodo, que es capaz de crear un haz de electrones dentro de un tubo de vacío que contenía mercurio en estado gaseoso.
Procedieron entonces a medir la modificación de la corriente que recibía el ánodo de acuerdo con la energía cinética que poseen los electrones, y así pudieron deducir la pérdida de energía de los electrones en el momento en que ocurrían las colisiones.
Material
El grupo del tríodo estaba contenido en el interior de una cápsula de vidrio que tenía mercurio. Es posible efectuar este experimento a distintas temperaturas y es importante poder hacer una comparación de estos resultados con una medida a temperatura ambiente, en la que el mercurio se encontrará en estado líquido.
Cuando el mercurio se calienta a una temperatura de 630 K, se vuelve gaseoso. Pero para evadir que se tenga que llegar a esa temperatura, se puede trabajar con una presión reducida en el interior de la cápsula y puede calentarse a una temperatura que oscila entre los 100 y los 200 °C.
Para que los electrones sean extraídos y para que alcances una velocidad que sea relevante, se debe utilizar una tensión que se ubicará entre el cátodo y la rejilla, que será una tensión de aceleración, produciéndose ondas de radio. De la misma forma, puede ser interesante colocar una tensión en sentido contrario, entre el ánodo y la rejilla, con el objetivo de desacelerar a los electrones.
Los resultados del experimento de Hertz
Tal como se explica en la biografía de Hertz, el resultado de este experimento es que será posible poder representar la forma en que evoluciona la diferencia de potencial que va a resultar de un convertidor de corriente – tensión que se coloca en la salida del ánodo, con relación a la diferencia de potencial de extracción de los electrones desde el cátodo.
Para obtener las diferencias de potencial bajas, de hasta 4,9 V, la corriente que fluye por medio del tubo aumenta de manera constante junto con el incremento de la diferencia potencial. Con el voltaje más alto se incrementa el campo eléctrico en el tubo y los electrones serán extraídos con más fuerza hacia la rejilla de aceleración. En este caso, se observa que a los 4,9 voltios, la corriente cae de repente, casi de nuevo a cero.
La corriente se incrementará de forma constante si el voltaje se sigue incrementando, hasta que se alcanza los 9.8 voltios, que es el doble exacto del primer volumen de corriente utilizado, y podremos observar que en los 9.8 voltios ocurre una caída repentina parecida. Esta serie de descensos de la corriente para incrementos de alrededor de 4.9 voltios se mantendrá de forma observable hasta potenciales de al menos unos 100 voltios.
Interpretación de los resultados del experimento de Hertz
Franck y Hertz pudieron explicar sus experimentaciones en condiciones de colisión elástica y colisión inelástica de los electrones. En el caso de los potenciales bajos, los electrones acelerados adquirieron únicamente una cuantía moderada de energía cinética. Cuando se enfrentaron a los átomos del mercurio en el tubo de vidrio, se efectuaron colisiones únicamente elásticas.
Ello tiene su razón de ser en la predicción de la mecánica cuántica que indicaba que un átomo no es capaz de absorber energía alguna hasta que la energía de la colisión supere el valor que se requiere para excitar un electrón que se encuentre enlazado a dicho átomo a un estrato de una energía mayor.
En el caso de las colisiones únicamente elásticas, la cuantía absoluta de energía cinética dentro del sistema sigue siendo la misma. Debido a que los electrones tienen una masa que es unas mil veces más ligera que los átomos menos masivos, ello quiere decir que la mayoría de los electrones conservaron su energía cinética, convirtiéndose en ondas Hertz. Los potenciales más altos tuvieron como resultado conducir más electrones de la rejilla al ánodo y también lograron incrementar la corriente observada, hasta que el potencial de aceleración llegó a los 4.9 voltios.
La energía de excitación electrónica más menguada que un átomo de mercurio puede tener necesita de 4,9 electronvoltios (eV). En el caso en que la potencia de aceleración llegó a los 4.9 voltios, cada electrón libre absorbió de forma exacta 4.9 eV de energía cinética, por encima de su energía en reposo a esa temperatura, al momento en que llegó a la rejilla.
Por esta razón, un choque entre un átomo de mercurio y un electrón libre puede ser inelástica en ese momento, esto es, la energía cinética de un electrón libre se puede volver en energía potencial al excitar el nivel de energía de un electrón que posee un átomo de mercurio. Cuando se pierde toda su energía cinética, el electrón libre no es capaz de superar la potencia negativa leve en el electrodo a tierra, y la corriente eléctrica desciende estrepitosamente.
Cuando se aumenta el voltaje, los electrones conforman una colisión inelástica, pierden su potencial cinético de eV 4.9, pero luego permanecen en un estado acelerado. De esa forma, la corriente que se mide se eleva de nuevo cuando se incrementa el potencial de aceleración, a partir de 4.9 V. Cuando se alcanzan los 9.8 V, la situación se modifica de nuevo.
En ese momento, cada electrón posee la energía necesaria para formar parte de dos colisiones inelásticas, lo que logra excitar a dos átomos de mercurio, para luego perder toda su energía cinética. Esto es lo que da la explicación a los descensos de corriente observados. En los intervalos de 4.9 voltios, este procedimiento se repetirá, debido a que los electrones van a experimentar una colisión inelástica adicional.
