הכירו את ניסוי פרנק והרץ

האם אתה יודע מה ה ניסוי הרץ? זה היה מחקר שבוצע לראשונה ב-1914 על ידי המדענים ג'יימס פרנק וגוסטב לודוויג הרץ, שמטרתו הייתה לבסס את הקוונטיזציה של רמות האנרגיה של האלקטרונים הנמצאים באטומים.

ניסוי פרנק והרץ

הניסוי של הרץ הצליח לאשש את המודל הקוונטי של בוהר של האטום, והוכיח שאטומים היו מסוגלים לספוג רק כמויות ספציפיות של אנרגיה הנקראות קוונטות. מסיבה זו, זהו אחד הניסויים החיוניים לפיזיקת הקוונטים. על מחקר זה זכו פרנק והרץ בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1925.

היסטוריה, מי היה הרץ?

בשנת 1913, נילס בוהר תמך בקיומו של דגם חדש של האטום, שנקרא מאוחר יותר מודל האטום של בור, והציע את קיומם של מסלולי אלקטרונים, אשר היה להם כמודל את דגם אטומי של רתרפורד, בדומה למערכת פלנטרית. עם המודל שלו הוא הציע ארבע הנחות, שאחת מהן הייתה קשורה לכימות של מסלולי האלקטרונים.

בדרך זו, הניסויים הראשונים נועדו להיות מסוגלים לאמת את הקוונטיזציה הזו. בניסויים הראשונים נעשה שימוש באור, שכן באותה תקופה היה ידוע שהאור מורכב מכמות אנרגיה. מסיבה זו, בוהר זוכה לביקורת על כך שתוצאות הכימות של המסלולים, ולפיכך, של כימות מצבי האנרגיה של האלקטרונים של האטום, מקורן רק בכיוונטיזציה של האור.

בשנת 1914, פרנק והרץ, שעבדו על אנרגיות יינון של אטומים, המציאו ניסוי באמצעות רמות האנרגיה של אטום הכספית. הבדיקה שלו השתמשה רק באלקטרונים ובאטומי כספית, ללא שימוש באור. בוהר השיג כך את ההדגמה הבלתי ניתנת להפרכה של המודל האטומי שלו.

הניסוי של הרץ בפועל

תחילה, על מנת להדגים את הקוונטיזציה של רמות האנרגיה, הם השתמשו בטריודה, המורכבת מקתודה, רשת מקוטבת ואנודה, המסוגלת ליצור אלומת אלקטרונים בתוך צינור ואקום. המכילה כספית במצב גז. .

לאחר מכן הם המשיכו למדוד את השינוי של הזרם שקיבלה האנודה לפי האנרגיה הקינטית שיש לאלקטרונים, וכך הם הצליחו להסיק את אובדן האנרגיה של האלקטרונים ברגע שבו התרחשו ההתנגשויות.

חוֹמֶר

קבוצת הטריודה הייתה כלולה בתוך קפסולת זכוכית המכילה כספית. אפשר לבצע את הניסוי הזה בטמפרטורות שונות וחשוב להיות מסוגל להשוות את התוצאות הללו עם מדידה בטמפרטורת החדר, שבה הכספית תהיה במצב נוזלי.

כאשר הכספית מחוממת לטמפרטורה של 630 K, היא הופכת לגז. אבל כדי להימנע מהצורך להגיע לטמפרטורה הזו, אפשר לעבוד עם לחץ מופחת בתוך הקפסולה וניתן לחמם אותה לטמפרטורה שנעה בין 100 ל-200 מעלות צלזיוס.

כדי שהאלקטרונים ייחלצו וכדי שתגיעו למהירות רלוונטית, יש להשתמש במתח שיתמקם בין הקתודה לרשת, שיהיה מתח תאוצה, המייצר גלי רדיו. באותו אופן, אולי יהיה מעניין להציב מתח בכיוון ההפוך, בין האנודה לרשת, כדי להאט את האלקטרונים.

תוצאות ניסוי הרץ

כפי שהוסבר ב הביוגרפיה של הרץ, התוצאה של ניסוי זה היא שניתן יהיה לייצג את האופן שבו מתפתח הפרש הפוטנציאל שייגרם מממיר זרם-מתח המוצב במוצא האנודה, ביחס להפרש הפוטנציאל לחילוץ של אלקטרונים מה- קָטוֹדָה.

כדי להשיג הפרשי פוטנציאל נמוכים, עד ל-4,9 וולט, הזרם הזורם דרך הצינור גדל בהתמדה עם הגדלת הפרש הפוטנציאל. עם המתח הגבוה יותר השדה החשמלי בצינור גדל והאלקטרונים יימשכו ביתר כוח לעבר רשת התאוצה. במקרה זה, נצפה כי ב-4,9 וולט, הזרם יורד בפתאומיות, כמעט בחזרה לאפס.

הזרם יגדל בהתמדה אם המתח ימשיך לעלות, עד שמגיעים ל-9.8 וולט, שהם בדיוק פי שניים מהנפח הראשון של הזרם בו נעשה שימוש, ונוכל לראות שירידה פתאומית דומה מתרחשת ב-9.8 וולט. סדרה זו של נפילות זרם במרווחים של כ-4.9 וולט תחזיק באופן ניכר עד לפוטנציאלים של לפחות כ-100 וולט.

פרשנות תוצאות ניסוי הרץ

פרנק והרץ הצליחו להסביר את הניסויים שלהם בתנאים של התנגשות אלסטית והתנגשות לא אלסטית של אלקטרונים. בפוטנציאלים נמוכים, האלקטרונים המואצים רכשו רק כמות מתונה של אנרגיה קינטית. כשהם התעמתו עם אטומי הכספית בצינור הזכוכית, הם עשו רק התנגשויות אלסטיות.

יש לכך סיבה להיות בחיזוי של מכניקת הקוונטים שהצביעה על כך שאטום אינו מסוגל לספוג אנרגיה כלשהי עד שאנרגיית ההתנגשות עולה על הערך הנדרש כדי לעורר אלקטרון שקשור לאטום האמור בשכבת אנרגיה גבוהה יותר.

עבור התנגשויות אלסטיות בלבד, הכמות המוחלטת של האנרגיה הקינטית בתוך המערכת נשארת זהה. מכיוון שלאלקטרונים יש מסה קלה פי אלף מאטומים פחות מסיביים, זה אומר שרוב האלקטרונים שמרו על האנרגיה הקינטית שלהם, והפכו גלי הרץ. פוטנציאלים גבוהים יותר הביאו להנעת יותר אלקטרונים מהרשת אל האנודה וגם הצליחו להגדיל את הזרם הנצפה, עד שפוטנציאל התאוצה הגיע ל-4.9 וולט.

אנרגיית העירור האלקטרונית הנמוכה ביותר שיכולה להיות לאטום כספית זקוקה ל-4,9 אלקטרונים וולט (eV). במקרה שבו כוח האצה הגיע ל-4.9 וולט, כל אלקטרון חופשי ספג בדיוק 4.9 eV של אנרגיה קינטית, מעל אנרגיית המנוחה שלו בטמפרטורה זו, עד שהגיע לרשת.

מסיבה זו, התנגשות בין אטום כספית לאלקטרון חופשי יכולה להיות לא אלסטית באותו זמן, כלומר, ניתן להפוך את האנרגיה הקינטית של אלקטרון חופשי לאנרגיה פוטנציאלית על ידי ריגוש רמת האנרגיה של אלקטרון שיש לו אטום כספית . כאשר כל האנרגיה הקינטית שלו אובדת, האלקטרון החופשי אינו מסוגל להתגבר על הכוח השלילי הקל באלקטרודת האדמה, והזרם החשמלי יורד באופן חד.

כאשר המתח גדל, האלקטרונים יוצרים התנגשות לא אלסטית, מאבדים את הפוטנציאל הקינטי שלהם של 4.9 eV, אך אז נשארים במצב מואץ. באופן זה, הזרם הנמדד עולה שוב עם הגדלת פוטנציאל התאוצה, החל מ-4.9 V. כאשר מגיעים ל-9.8 V, המצב משתנה שוב.

באותו רגע, לכל אלקטרון יש את האנרגיה הדרושה כדי להיות חלק משתי התנגשויות לא אלסטיות, שמצליחות לעורר שני אטומי כספית, ואז לאבד את כל האנרגיה הקינטית שלהם. זה מה שמסביר את ירידות הזרם שנצפו. במרווחים של 4.9 וולט, הליך זה יחזור על עצמו, מכיוון שהאלקטרונים עומדים לחוות התנגשות לא אלסטית נוספת.