Tudod mi a hertz kísérlet? Ezt a tanulmányt először 1914-ben végezték James Franck és Gustav Ludwig Hertz tudósok, amelyek célja az volt, hogy meghatározzák az atomokban jelenlévő elektronok energiaszintjének kvantálását.
Franck és Hertz kísérlet
Hertz kísérlete meg tudta erősíteni az atom Bohr-féle kvantummodelljét, bebizonyítva, hogy az atomok csak meghatározott mennyiségű energiát képesek elnyelni, amit kvantumoknak neveznek. Emiatt ez a kvantumfizika egyik alapvető kísérlete. Ezért a kutatásért Franck és Hertz 1925-ben fizikai Nobel-díjat kapott.
Történelem, Ki volt Hertz?
1913-ban Niels Bohr kiállt egy új atommodell létezése mellett, amelyet később az atommagnak neveztek. Bohr Atomic Model, és elektronpályák létezését javasolta, amelyek modelljeként a Rutherford Atommodell, hasonlóan egy bolygórendszerhez. Modellével négy posztulátumot javasolt, amelyek közül az egyik az elektronok pályájának kvantálásához kapcsolódott.
Ily módon az első kísérletek célja ennek a kvantálásnak a bizonyítása volt. Az első kísérletekben fényt használtak, hiszen akkoriban ismerték, hogy a fény energiakvantumokból áll. Emiatt Bohrt kritizálják amiatt, hogy a pályák kvantálásának, tehát az atom elektronjainak energiaállapotainak kvantálásának eredményei csak a fény kvantálásából származtak.
1914-ben Franck és Hertz, akik az atomok ionizációs energiáival foglalkoztak, kidolgoztak egy kísérletet a higanyatom energiaszintjének felhasználásával. A teszt csak elektronokat és higanyatomokat használt, fény nélkül. Bohr így megszerezte atommodelljének megdönthetetlen bemutatását.
Hertz kísérlete a gyakorlatban
Eleinte az energiaszintek kvantálásának demonstrálására egy katódból, egy polarizált rácsból és egy anódból álló triódát használtak, amely gáz halmazállapotú higanyt tartalmazó vákuumcsőben képes elektronnyalábot létrehozni. .
Ezután megmérték az anód által vett áram módosulását az elektronok kinetikus energiája szerint, és így következtetni tudtak az elektronok energiaveszteségére abban a pillanatban, amikor az ütközések bekövetkeztek.
Anyag
A triódacsoport egy higanyt tartalmazó üvegkapszulában volt. Ez a kísérlet különböző hőmérsékleteken is elvégezhető, és fontos, hogy ezeket az eredményeket össze lehessen hasonlítani egy szobahőmérsékleten végzett méréssel, amelyben a higany folyékony halmazállapotú lesz.
Ha a higanyt 630 K hőmérsékletre hevítik, gázzá válik. De annak elkerülése érdekében, hogy ezt a hőmérsékletet el kelljen érni, a kapszula belsejében csökkentett nyomással lehet dolgozni, és 100 és 200 °C közötti hőmérsékletre fel lehet melegíteni.
Az elektronok kinyeréséhez és a megfelelő sebesség eléréséhez a katód és a rács között elhelyezkedő feszültséget kell használni, ami egy gyorsító feszültség, amely rádióhullámok. Ugyanígy érdekes lehet egy ellenkező irányú feszültséget helyezni az anód és a rács közé, hogy lelassítsuk az elektronokat.
A Hertz kísérlet eredményei
Amint azt ben kifejtették Hertz életrajza, ennek a kísérletnek az eredménye, hogy lehetővé válik az anód kimenetén elhelyezett áram-feszültség átalakítóból adódó potenciálkülönbség fejlődésének módja az elektronok kivonási potenciálkülönbségéhez viszonyítva. katód.
Az alacsony potenciálkülönbségek elérése érdekében, egészen 4,9 V-ig, a csövön átfolyó áram folyamatosan növekszik a potenciálkülönbség növekedésével. A nagyobb feszültséggel nő az elektromos tér a csőben, és az elektronok nagyobb erővel húzódnak a gyorsítórács felé. Ebben az esetben megfigyelhető, hogy 4,9 voltnál az áram hirtelen, majdnem nullára csökken.
Az áramerősség folyamatosan növekszik, ha a feszültség tovább növekszik, egészen addig, amíg el nem érjük a 9.8 voltot, ami pontosan kétszerese a felhasznált áram első térfogatának, és láthatjuk, hogy 9.8 voltnál hasonló hirtelen esés következik be. Ez a 4.9 V-os lépésenkénti áramesés-sorozat megfigyelhetően legalább 100 voltos potenciálig tart.
A Hertz-kísérlet eredményeinek értelmezése
Franck és Hertz el tudták magyarázni kísérleteiket az elektronok rugalmas ütközésének és rugalmatlan ütközésének körülményei között. Alacsony potenciálon a felgyorsult elektronok csak mérsékelt mennyiségű mozgási energiát szereztek. Amikor szembekerültek az üvegcsőben lévő higanyatomokkal, csak rugalmas ütközéseket hajtottak végre.
Ennek megvan az oka annak, hogy benne van a kvantummechanika előrejelzésében, amely azt jelzi, hogy egy atom nem képes semmilyen energiát elnyelni, amíg az ütközés energiája nem haladja meg azt az értéket, amely egy magasabb energiájú rétegben az atomhoz kötött elektron gerjesztéséhez szükséges.
Csak rugalmas ütközések esetén a rendszeren belüli kinetikus energia abszolút mennyisége változatlan marad. Mivel az elektronok tömege körülbelül ezerszer könnyebb, mint a kisebb tömegű atomoké, ez azt jelenti, hogy az elektronok többsége megtartotta mozgási energiáját, hertz hullámok. A magasabb potenciálok több elektront vezettek a rácsról az anódra, és sikerült növelni a megfigyelt áramerősséget is, amíg a gyorsulási potenciál el nem érte a 4.9 voltot.
A legkisebb elektronikus gerjesztési energiához egy higanyatom 4,9 elektronvolt (eV) szükséges. Abban az esetben, ha a gyorsító teljesítmény elérte a 4.9 voltot, minden szabad elektron pontosan 4.9 eV kinetikus energiát nyelt el, a nyugalmi energiája felett ezen a hőmérsékleten, mire elérte a rácsot.
Emiatt a higanyatom és a szabad elektron ütközése abban az időben rugalmatlan lehet, vagyis a szabad elektron kinetikus energiája potenciális energiává alakítható a higanyatommal rendelkező elektron energiaszintjének gerjesztésével. . Ha minden kinetikus energiája elvész, a szabad elektron nem tudja leküzdeni a testelektródánál jelentkező enyhe negatív erőt, és az elektromos áram rohamosan csökken.
A feszültség növelésekor az elektronok rugalmatlan ütközést okoznak, elveszítik 4.9 eV-os kinetikus potenciáljukat, de ezután felgyorsult állapotban maradnak. Ily módon a mért áramerősség a gyorsulási potenciál növelésekor 4.9 V-tól kezdődően ismét megemelkedik. A 9.8 V elérésekor a helyzet ismét megváltozik.
Abban a pillanatban minden elektron rendelkezik a szükséges energiával ahhoz, hogy részt vegyen két rugalmatlan ütközésben, amely két higanyatomot gerjeszt, majd elveszíti minden mozgási energiáját. Ez magyarázza a megfigyelt áramcsökkenést. A 4.9 voltos intervallumokban ez az eljárás megismétlődik, mert az elektronok további rugalmatlan ütközést fognak tapasztalni.
