Tiedätkö mitä hertzin kokeilu? Se oli tutkijoiden James Franckin ja Gustav Ludwig Hertzin ensimmäistä kertaa vuonna 1914 tekemä tutkimus, jonka tarkoituksena oli määrittää atomeissa olevien elektronien energiatasojen kvantisointi.
Franckin ja Hertzin kokeilu
Hertzin koe pystyi vahvistamaan Bohrin kvanttimallin atomista, mikä osoitti, että atomit pystyivät absorboimaan vain tietyn määrän energiaa, jota kutsutaan kvantteiksi. Tästä syystä tämä on yksi kvanttifysiikan olennaisista kokeista. Tästä tutkimuksesta Franck ja Hertz saivat fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1925.
Historia, kuka oli Hertz?
Vuonna 1913 Niels Bohr kannatti uuden atomimallin olemassaoloa, jota myöhemmin kutsuttiin Bohrin atomimalli, ja ehdotti elektronien kiertoradan olemassaoloa, jonka mallina oli Rutherfordin atomimalli, aivan kuten planeettajärjestelmä. Mallillaan hän ehdotti neljää postulaattia, joista yksi liittyi elektronien kiertoradan kvantisointiin.
Tällä tavalla ensimmäisten kokeiden tarkoituksena oli pystyä varmistamaan tämä kvantisointi. Ensimmäisissä kokeissa käytettiin valoa, sillä tuolloin tiedettiin valon koostuvan energiakvanteista. Tästä syystä Bohria arvostellaan siitä tosiasiasta, että kiertoradan kvantisoinnin ja siten atomin elektronien energiatilojen kvantisoinnin tulokset olivat peräisin vain valon kvantisoinnista.
Vuonna 1914 Franck ja Hertz, jotka työskentelivät atomien ionisaatioenergian parissa, suunnittelivat kokeen, jossa käytettiin elohopeaatomin energiatasoja. Hänen testinsä käytti vain elektroneja ja elohopeaatomeja ilman valoa. Bohr sai siten kiistattoman esittelyn atomimallistaan.
Hertzin kokeilu käytännössä
Aluksi energiatasojen kvantisoinnin osoittamiseksi he käyttivät triodia, joka koostui katodista, polarisoidusta hilasta ja anodista, joka pystyy luomaan elektronisuihkun tyhjiöputken sisään, joka sisältää elohopeaa kaasumaisessa tilassa. .
Sen jälkeen ryhdyttiin mittaamaan anodin vastaanottaman virran muutosta elektronien hallussa olevan kineettisen energian mukaan, ja näin he pystyivät päättelemään elektronien energiahäviön törmäyshetkellä.
Materiaali
Triodiryhmä sisältyi lasikapseliin, joka sisälsi elohopeaa. Tämä koe on mahdollista suorittaa eri lämpötiloissa ja on tärkeää pystyä vertailemaan näitä tuloksia huoneenlämpötilassa suoritettuun mittaukseen, jossa elohopea on nestemäisessä tilassa.
Kun elohopea kuumennetaan 630 K:n lämpötilaan, se muuttuu kaasuksi. Mutta tämän lämpötilan saavuttamisen välttämiseksi on mahdollista työskennellä alennetulla paineella kapselin sisällä ja se voidaan lämmittää lämpötilaan, joka vaihtelee välillä 100-200 °C.
Jotta elektronit voidaan erottaa ja saavuttaa tarvittava nopeus, katodin ja verkon väliin on käytettävä jännitettä, joka on kiihdytysjännite, joka tuottaa radioaallot. Samalla tavalla voi olla mielenkiintoista sijoittaa jännite vastakkaiseen suuntaan, anodin ja hilan väliin elektronien hidastamiseksi.
Hertz-kokeen tulokset
Kuten on selitetty Hertzin elämäkerta, tämän kokeen tulos on, että on mahdollista esittää tapa, jolla anodin lähtöön sijoitetusta virta-jännite-muuntimesta aiheutuva potentiaaliero kehittyy suhteessa elektronien erotuspotentiaalieroon katodi.
Jotta saavutetaan pienet potentiaalierot, 4,9 V:iin asti, putken läpi kulkeva virta kasvaa tasaisesti potentiaalieron kasvaessa. Suuremmalla jännitteellä sähkökenttä putkessa kasvaa ja elektronit vedetään enemmän voimalla kohti kiihdytysverkkoa. Tässä tapauksessa havaitaan, että 4,9 voltilla virta laskee yhtäkkiä, melkein takaisin nollaan.
Virta kasvaa tasaisesti, jos jännite jatkaa nousuaan, kunnes saavutetaan 9.8 volttia, mikä on täsmälleen kaksi kertaa ensimmäinen käytetyn virran tilavuus, ja voimme nähdä, että samanlainen äkillinen pudotus tapahtuu 9.8 voltilla. Tämä sarja virtapudotuksia noin 4.9 voltin lisäyksillä pysyy havaittavasti vähintään noin 100 voltin potentiaalissa.
Hertz-kokeen tulosten tulkinta
Franck ja Hertz pystyivät selittämään kokeensa elastisen törmäyksen ja elektronien joustamattoman törmäyksen olosuhteissa. Pienillä potentiaalilla kiihdytetyt elektronit saivat vain kohtuullisen määrän liike-energiaa. Kun he kohtasivat elohopeaatomit lasiputkessa, he tekivät vain elastisia törmäyksiä.
Tämä johtuu siitä, että se on kvanttimekaniikan ennustuksessa, joka osoitti, että atomi ei pysty absorboimaan energiaa ennen kuin törmäyksen energia ylittää arvon, joka vaaditaan elektronin, joka on sidottu mainittuun atomiin korkeammassa energiakerroksessa, virittämiseen.
Ainoastaan elastisissa törmäyksissä järjestelmän kineettisen energian absoluuttinen määrä pysyy samana. Koska elektronien massa on noin tuhat kertaa kevyempi kuin vähemmän massiivisten atomien, tämä tarkoittaa, että suurin osa elektroneista säilytti kineettisen energiansa ja muuttui hertsin aallot. Suuremmat potentiaalit johtivat enemmän elektronien ajamiseen verkosta anodille ja onnistuivat myös kasvattamaan havaittua virtaa, kunnes kiihtyvyyspotentiaali saavutti 4.9 volttia.
Pienin elohopeaatomin elektroninen viritysenergia tarvitsee 4,9 elektronivolttia (eV). Tapauksessa, jossa kiihdytysteho saavutti 4.9 volttia, jokainen vapaa elektroni absorboi tasan 4.9 eV kineettistä energiaa, yli lepoenergiansa tässä lämpötilassa, kun se saavutti verkon.
Tästä syystä elohopeaatomin ja vapaan elektronin välinen törmäys voi olla tuolloin joustamaton, eli vapaan elektronin kineettinen energia voidaan muuttaa potentiaalienergiaksi virittämällä elohopeaatomin sisältävän elektronin energiatasoa. . Kun kaikki kineettinen energiansa menetetään, vapaa elektroni ei pysty voittamaan pientä negatiivista tehoa maadoituselektrodilla, ja sähkövirta laskee jyrkästi.
Kun jännitettä nostetaan, elektronit muodostavat joustamattoman törmäyksen, menettävät kineettisen potentiaalinsa 4.9 eV, mutta jäävät sitten kiihtyvään tilaan. Tällä tavalla mitattava virta nousee taas, kun kiihtyvyyspotentiaalia nostetaan 4.9 V:sta alkaen. Kun 9.8 V saavutetaan, tilanne muuttuu jälleen.
Tällä hetkellä jokaisella elektronilla on tarvittava energia olla osa kahta joustamatonta törmäystä, joka onnistuu virittämään kaksi elohopeaatomia ja menettää sitten kaiken kineettisen energiansa. Tämä selittää havaitut virran laskut. 4.9 voltin aikaväleillä tämä menettely toistaa itseään, koska elektronit joutuvat kokemaan lisää joustamatonta törmäystä.
