Sai qual è il esperimento hertz? Si trattava di uno studio condotto per la prima volta nel 1914 dagli scienziati James Franck e Gustav Ludwig Hertz, il cui scopo era stabilire la quantizzazione dei livelli energetici degli elettroni presenti negli atomi.
Franck e Hertz sperimentano
L'esperimento di Hertz è stato in grado di confermare il modello quantistico dell'atomo di Bohr, dimostrando che gli atomi erano in grado di assorbire solo quantità specifiche di energia chiamate quanti. Per questo motivo, questo è uno degli esperimenti essenziali per la fisica quantistica. Per questa ricerca, Franck e Hertz ricevettero il Premio Nobel per la Fisica nel 1925.
Storia, chi era Hertz?
Nell'anno 1913, Niels Bohr sostenne l'esistenza di un nuovo modello dell'atomo, chiamato in seguito il Modello atomico di Bohr, e ha proposto l'esistenza di orbite di elettroni, che avevano come modello il Modello atomico di Rutherford, proprio come un sistema planetario. Con il suo modello proponeva quattro postulati, di cui uno relativo alla quantizzazione delle orbite degli elettroni.
In questo modo, i primi esperimenti avevano l'obiettivo di poter verificare questa quantizzazione. Nei primi esperimenti si usava la luce, poiché a quel tempo si sapeva che la luce era composta da quanti di energia. Per questo Bohr è criticato per il fatto che i risultati della quantizzazione delle orbite, e quindi della quantizzazione degli stati energetici degli elettroni dell'atomo, abbiano avuto origine solo nella quantizzazione della luce.
Nel 1914 Franck e Hertz, che stavano lavorando sulle energie di ionizzazione degli atomi, idearono un esperimento usando i livelli di energia dell'atomo di mercurio. Il suo test utilizzava solo elettroni e atomi di mercurio, senza utilizzare alcuna luce. Bohr ottenne così la dimostrazione inconfutabile del suo modello atomico.
L'esperimento di Hertz in pratica
Inizialmente, per dimostrare la quantizzazione dei livelli di energia, hanno utilizzato un triodo, composto da un catodo, una griglia polarizzata e un anodo, che è in grado di creare un fascio di elettroni all'interno di un tubo a vuoto contenente mercurio allo stato gassoso .
Si è quindi proceduto a misurare la modifica della corrente ricevuta dall'anodo in funzione dell'energia cinetica posseduta dagli elettroni, e quindi hanno potuto dedurre la perdita di energia degli elettroni nel momento in cui si sono verificate le collisioni.
Materiali
Il gruppo triodo era contenuto all'interno di una capsula di vetro contenente mercurio. È possibile effettuare questo esperimento a diverse temperature ed è importante poter confrontare questi risultati con una misura a temperatura ambiente, in cui il mercurio sarà allo stato liquido.
Quando il mercurio viene riscaldato a una temperatura di 630 K, diventa un gas. Ma per evitare di dover raggiungere quella temperatura, è possibile lavorare con una pressione ridotta all'interno della capsula e può essere riscaldata ad una temperatura che va dai 100 ai 200 °C.
Affinché gli elettroni vengano estratti e si raggiunga una velocità rilevante, è necessario utilizzare una tensione che si troverà tra il catodo e la griglia, che sarà una tensione di accelerazione, che produrrà ondate di radio. Allo stesso modo può essere interessante posizionare una tensione nella direzione opposta, tra l'anodo e la griglia, in modo da rallentare gli elettroni.
I risultati dell'esperimento Hertz
Come spiegato in La biografia di Hertz, il risultato di questo esperimento è che sarà possibile rappresentare il modo in cui evolve la differenza di potenziale che risulterà da un convertitore corrente-tensione che è posto all'uscita dell'anodo, in relazione alla differenza di potenziale di estrazione degli elettroni dal catodo.
Per ottenere basse differenze di potenziale, fino a 4,9 V, la corrente che scorre attraverso il tubo aumenta costantemente all'aumentare della differenza di potenziale. Con la tensione più alta il campo elettrico nel tubo aumenta e gli elettroni verranno attirati con maggiore forza verso la griglia di accelerazione. In questo caso, si osserva che a 4,9 volt la corrente scende improvvisamente, quasi a zero.
La corrente aumenterà costantemente se la tensione continua ad aumentare, fino a raggiungere 9.8 volt, che è esattamente il doppio del primo volume di corrente utilizzato, e possiamo vedere che un simile calo improvviso si verifica a 9.8 volt. Questa serie di cadute di corrente per incrementi di circa 4.9 volt si manterrà in modo osservabile fino a potenziali di almeno circa 100 volt.
Interpretazione dei risultati dell'esperimento Hertz
Franck e Hertz sono stati in grado di spiegare i loro esperimenti in condizioni di collisione elastica e di collisione anelastica di elettroni. A bassi potenziali, gli elettroni accelerati acquisivano solo una moderata quantità di energia cinetica. Quando hanno affrontato gli atomi di mercurio nel tubo di vetro, hanno fatto solo collisioni elastiche.
Questo ha la sua ragione per essere nella predizione della meccanica quantistica che indicava che un atomo non è in grado di assorbire alcuna energia fino a quando l'energia della collisione non supera il valore richiesto per eccitare un elettrone che è legato a detto atomo in uno strato di energia superiore.
Per le sole collisioni elastiche, la quantità assoluta di energia cinetica all'interno del sistema rimane la stessa. Poiché gli elettroni hanno una massa circa mille volte più leggera degli atomi meno massicci, ciò significa che la maggior parte degli elettroni ha mantenuto la propria energia cinetica, diventando onde hertz. Potenziali più elevati hanno portato a guidare più elettroni dalla griglia all'anodo e sono anche riusciti ad aumentare la corrente osservata, fino a quando il potenziale di accelerazione ha raggiunto 4.9 volt.
L'energia di eccitazione elettronica più bassa che un atomo di mercurio può avere richiede 4,9 elettronvolt (eV). Nel caso in cui la potenza di accelerazione ha raggiunto 4.9 volt, ogni elettrone libero ha assorbito esattamente 4.9 eV di energia cinetica, al di sopra della sua energia di riposo a quella temperatura, nel momento in cui ha raggiunto la griglia.
Per questo motivo, una collisione tra un atomo di mercurio e un elettrone libero può essere anelastica in quel momento, cioè l'energia cinetica di un elettrone libero può essere trasformata in energia potenziale eccitando il livello di energia di un elettrone che ha un atomo di mercurio . Quando tutta la sua energia cinetica viene persa, l'elettrone libero non è in grado di superare la leggera potenza negativa all'elettrodo di massa e la corrente elettrica diminuisce precipitosamente.
Quando la tensione aumenta, gli elettroni formano una collisione anelastica, perdono il loro potenziale cinetico di 4.9 eV, ma poi rimangono in uno stato accelerato. In questo modo la corrente che viene misurata sale nuovamente all'aumentare del potenziale di accelerazione, partendo da 4.9 V. Al raggiungimento di 9.8 V la situazione cambia nuovamente.
In quel momento ogni elettrone possiede l'energia necessaria per far parte di due collisioni anelastiche, che riesce ad eccitare due atomi di mercurio, per poi perdere tutta la loro energia cinetica. Questo è ciò che spiega le diminuzioni di corrente osservate. Negli intervalli di 4.9 volt, questa procedura si ripeterà, perché gli elettroni subiranno un'ulteriore collisione anelastica.
