Tahukah kamu apa percobaan hertz? Itu adalah studi yang dilakukan untuk pertama kalinya pada tahun 1914 oleh ilmuwan James Franck dan Gustav Ludwig Hertz, yang tujuannya adalah untuk menetapkan kuantisasi tingkat energi elektron yang ada dalam atom.
Eksperimen Franck dan Hertz
Eksperimen Hertz mampu mengkonfirmasi model atom kuantum Bohr, membuktikan bahwa atom hanya mampu menyerap sejumlah energi tertentu yang disebut kuanta. Oleh karena itu, ini adalah salah satu eksperimen penting untuk fisika kuantum. Untuk penelitian ini, Franck dan Hertz dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1925.
Sejarah, Siapa Hertz?
Pada tahun 1913, Niels Bohr menganjurkan keberadaan model atom baru, yang kemudian disebut Model Atom Bohr, dan mengusulkan keberadaan orbit elektron, yang memiliki model Model Atom Rutherford, seperti sistem planet. Dengan modelnya ia mengusulkan empat postulat, salah satunya terkait dengan kuantisasi orbit elektron.
Dengan cara ini, percobaan pertama bertujuan untuk dapat memverifikasi kuantisasi ini. Dalam percobaan pertama, cahaya digunakan, karena pada saat itu diketahui bahwa cahaya terdiri dari kuanta energi. Untuk alasan ini, Bohr dikritik karena fakta bahwa hasil kuantisasi orbit, dan oleh karena itu, kuantisasi keadaan energi elektron atom, hanya berasal dari kuantisasi cahaya.
Pada tahun 1914, Franck dan Hertz, yang bekerja pada energi ionisasi atom, merancang percobaan menggunakan tingkat energi atom merkuri. Pengujiannya hanya menggunakan elektron dan atom merkuri, tanpa menggunakan cahaya. Bohr dengan demikian memperoleh demonstrasi model atomnya yang tak terbantahkan.
Eksperimen Hertz dalam praktik
Pada awalnya, untuk mendemonstrasikan kuantisasi tingkat energi, mereka menggunakan trioda, yang terdiri dari katoda, grid terpolarisasi, dan anoda, yang mampu menciptakan berkas elektron di dalam tabung vakum yang mengandung merkuri dalam bentuk gas. .
Mereka kemudian melanjutkan untuk mengukur modifikasi arus yang diterima oleh anoda sesuai dengan energi kinetik yang dimiliki oleh elektron, dan dengan demikian mereka dapat menyimpulkan hilangnya energi elektron pada saat tumbukan terjadi.
Bahan
Kelompok triode terkandung dalam kapsul kaca yang mengandung merkuri. Dimungkinkan untuk melakukan percobaan ini pada suhu yang berbeda dan penting untuk dapat membandingkan hasil ini dengan pengukuran pada suhu kamar, di mana merkuri akan berada dalam keadaan cair.
Ketika merkuri dipanaskan sampai suhu 630 K, itu menjadi gas. Tetapi untuk menghindari mencapai suhu itu, dimungkinkan untuk bekerja dengan tekanan yang dikurangi di dalam kapsul dan dapat dipanaskan hingga suhu berkisar antara 100 dan 200 °C.
Agar elektron dapat diekstraksi dan agar Anda mencapai kecepatan yang relevan, tegangan harus digunakan yang akan ditempatkan di antara katoda dan jaringan, yang akan menjadi tegangan percepatan, menghasilkan gelombang radio. Dengan cara yang sama, mungkin menarik untuk menempatkan tegangan dalam arah yang berlawanan, antara anoda dan grid, untuk memperlambat elektron.
Hasil percobaan Hertz
Seperti yang dijelaskan dalam biografi Hertz, hasil dari percobaan ini adalah bahwa akan mungkin untuk mewakili cara di mana perbedaan potensial yang akan dihasilkan dari konverter arus-tegangan yang ditempatkan pada output anoda berkembang, dalam kaitannya dengan perbedaan potensial ekstraksi elektron dari katoda.
Untuk mendapatkan beda potensial yang rendah, turun menjadi 4,9 V, arus yang mengalir melalui tabung meningkat secara konstan dengan meningkatnya beda potensial. Dengan tegangan yang lebih tinggi medan listrik di dalam tabung meningkat dan elektron akan ditarik dengan gaya yang lebih besar ke arah grid percepatan. Dalam hal ini, diamati bahwa pada 4,9 volt, arus turun tiba-tiba, hampir kembali ke nol.
Arus akan meningkat dengan stabil jika tegangan terus meningkat, hingga mencapai 9.8 volt, yang persis dua kali volume pertama dari arus yang digunakan, dan kita dapat melihat bahwa penurunan mendadak serupa terjadi pada 9.8 volt. Rangkaian penurunan arus ini untuk kenaikan sekitar 4.9 volt akan terus menurun hingga potensial setidaknya sekitar 100 volt.
Interpretasi hasil percobaan Hertz
Franck dan Hertz mampu menjelaskan eksperimen mereka dalam kondisi tumbukan lenting dan tumbukan lenting elektron. Pada potensial rendah, elektron yang dipercepat hanya memperoleh energi kinetik dalam jumlah sedang. Ketika mereka berhadapan dengan atom merkuri dalam tabung gelas, mereka hanya membuat tumbukan elastis.
Ini memiliki alasan untuk berada dalam prediksi mekanika kuantum yang menunjukkan bahwa atom tidak mampu menyerap energi apa pun sampai energi tumbukan melebihi nilai yang dibutuhkan untuk mengeksitasi elektron yang terikat pada atom tersebut pada lapisan energi yang lebih tinggi.
Untuk hanya tumbukan lenting, jumlah mutlak energi kinetik dalam sistem tetap sama. Karena elektron memiliki massa sekitar seribu kali lebih ringan daripada atom yang kurang masif, ini berarti bahwa sebagian besar elektron mempertahankan energi kinetiknya, menjadi gelombang hertz. Potensi yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak elektron dari grid ke anoda dan juga berhasil meningkatkan arus yang diamati, hingga potensi akselerasi mencapai 4.9 volt.
Energi eksitasi elektronik terendah yang dapat dimiliki atom merkuri membutuhkan 4,9 elektron volt (eV). Dalam kasus di mana daya percepatan mencapai 4.9 volt, setiap elektron bebas menyerap tepat 4.9 eV energi kinetik, di atas energi diamnya pada suhu itu, pada saat mencapai grid.
Untuk alasan ini, tumbukan antara atom merkuri dan elektron bebas dapat menjadi tidak elastis pada saat itu, yaitu energi kinetik elektron bebas dapat diubah menjadi energi potensial dengan menarik tingkat energi elektron yang memiliki atom merkuri. . Ketika semua energi kinetiknya hilang, elektron bebas tidak dapat mengatasi sedikit daya negatif pada elektroda arde, dan arus listrik turun drastis.
Ketika tegangan dinaikkan, elektron membentuk tumbukan tidak elastis, kehilangan potensi kinetiknya sebesar 4.9 eV, tetapi kemudian tetap dalam keadaan dipercepat. Dengan cara ini, arus yang diukur naik lagi ketika potensi akselerasi ditingkatkan, mulai dari 4.9 V. Ketika mencapai 9.8 V, situasinya berubah lagi.
Pada saat itu, setiap elektron memiliki energi yang diperlukan untuk menjadi bagian dari dua tumbukan tidak lenting, yang berhasil mengeksitasi dua atom merkuri, dan kemudian kehilangan semua energi kinetiknya. Inilah yang menjelaskan penurunan arus yang diamati. Pada interval 4.9 volt, prosedur ini akan berulang, karena elektron akan mengalami tumbukan lenting lebih lanjut.
