あなたは何を知っていますか ヘルツ実験？ これは、1914年に科学者のジェイムス・フランクとグスタフ・ヘルツヴィヒ・ヘルツによって初めて行われた研究であり、その目的は、原子に存在する電子のエネルギー準位の量子化を確立することでした。
フランク・ヘルツの実験
ヘルツの実験は、原子のボーアの量子モデルを確認することができ、原子が量子と呼ばれる特定の量のエネルギーしか吸収できないことを証明しました。 そのため、これは量子物理学にとって不可欠な実験の1925つです。 この研究で、フランクとヘルツはXNUMX年にノーベル物理学賞を受賞しました。
歴史、ヘルツは誰でしたか？
1913年、ニールスボーアは、後に原子の新しいモデルの存在を提唱しました。 ボーア原子模型、そしてモデルとして持っていた電子軌道の存在を提案しました ラザフォード原子模型、惑星系のように。 彼のモデルで彼はXNUMXつの仮定を提案しました。そのうちのXNUMXつは電子の軌道の量子化に関連していました。
このように、最初の実験は、この量子化を検証できるようにすることを目的としていました。 最初の実験では、光がエネルギーの量子で構成されていることが知られていたため、光が使用されました。 このため、ボーアは、軌道の量子化の結果、したがって原子の電子のエネルギー状態の量子化の結果が、光の量子化にのみ起源を持っていたという事実について批判されています。
1914年、原子のイオン化エネルギーに取り組んでいたフランクとヘルツは、水銀原子のエネルギー準位を使った実験を考案しました。 彼のテストでは、光を使用せずに、電子と水銀原子のみを使用しました。 ボーアはこうして彼の原子モデルの反駁できないデモンストレーションを得た。
実際のヘルツの実験
最初に、エネルギー準位の量子化を実証するために、彼らは陰極、分極グリッド、および真空管内に電子ビームを生成できる陽極で構成される三極真空管を使用しました。これは、気体状態の水銀を含みます。 。
次に、電子が持つ運動エネルギーに応じてアノードが受ける電流の変化を測定し、衝突が発生した瞬間の電子のエネルギー損失を推定することができました。
材料
三極真空管グループは、水銀を含むガラスカプセル内に含まれていました。 この実験はさまざまな温度で実行することが可能であり、これらの結果を、水銀が液体状態になる室温での測定と比較できることが重要です。
水銀を630Kの温度に加熱すると、ガスになります。 ただし、その温度に到達する必要がないように、カプセル内を減圧して作業することが可能であり、100〜200°Cの範囲の温度に加熱することができます。
電子が抽出され、適切な速度に到達するには、カソードとグリッドの間に配置される電圧を使用する必要があります。これは加速電圧になり、 オンダスデラジオ。 同様に、電子を遅くするために、アノードとグリッドの間に反対方向に電圧をかけることは興味深いかもしれません。
ヘルツ実験の結果
で説明されているように ヘルツの伝記、この実験の結果は、アノード出力に配置された電流-電圧コンバータから生じる電位差が、からの電子の抽出電位差に関連してどのように変化するかを表すことが可能になるということです。陰極。
4,9 Vまでの低い電位差を得るために、管を流れる電流は電位差の増加とともに着実に増加します。 電圧が高くなると、チューブ内の電界が増加し、電子は加速グリッドに向かってより大きな力で引き寄せられます。 この場合、4,9ボルトで電流が突然低下し、ほぼゼロに戻ることが観察されます。
電圧が上昇し続けると、電流は着実に増加し、9.8ボルトに達すると、これは最初に使用された電流の9.8倍になり、4.9ボルトでも同様の急激な低下が発生することがわかります。 約100ボルトの増分でのこの一連の電流降下は、少なくとも約XNUMXボルトの電位まで観察可能に抑えられます。
ヘルツ実験の結果の解釈
フランクとヘルツは、電子の弾性衝突と非弾性衝突の条件下での実験を説明することができました。 低電位では、加速された電子は適度な量の運動エネルギーしか獲得しませんでした。 彼らがガラス管内の水銀原子と対峙したとき、彼らは弾性衝突のみをしました。
これは、衝突のエネルギーがより高いエネルギー層でその原子に結合している電子を励起するのに必要な値を超えるまで、原子がエネルギーを吸収できないことを示した量子力学の予測にある理由があります。
弾性衝突の場合のみ、システム内の運動エネルギーの絶対量は同じままです。 電子の質量は、質量の小さい原子の約XNUMX倍軽いため、これは、ほとんどの電子が運動エネルギーを保持し、次のようになることを意味します。 ヘルツ波。 より高い電位は、グリッドからアノードへより多くの電子を駆動する結果となり、加速電位が4.9ボルトに達するまで、観測された電流を増加させることに成功しました。
水銀原子が持つことができる最低の電子励起エネルギーは4,9電子ボルト（eV）を必要とします。 加速電力が4.9ボルトに達した場合、各自由電子は、グリッドに到達するまでに、その温度での静止エネルギーを超えて、正確に4.9eVの運動エネルギーを吸収しました。
このため、水銀原子と自由電子の衝突は、その時点では弾力性がない可能性があります。つまり、水銀原子を持つ電子のエネルギー準位を励起することにより、自由電子の運動エネルギーを位置エネルギーに変えることができます。 。 運動エネルギーがすべて失われると、自由電子は接地電極でのわずかな負の電力に打ち勝つことができなくなり、電流が急激に低下します。
電圧が上昇すると、電子は非弾性衝突を形成し、4.9 eVの運動ポテンシャルを失いますが、その後加速状態のままになります。 このように、加速電位を上げると、4.9Vから測定電流が再び上昇します。9.8Vに達すると、状況は再び変化します。
その瞬間、各電子は4.9つの非弾性衝突の一部となるために必要なエネルギーを持っています。これにより、XNUMXつの水銀原子が励起され、すべての運動エネルギーが失われます。 これが、観測された電流が減少する理由です。 XNUMXボルトの間隔では、電子がさらに非弾性衝突を経験するため、この手順が繰り返されます。
