뭔지 아세요? 헤르츠 실험? 그것은 원자에 존재하는 전자의 에너지 준위의 양자화를 확립하는 것을 목적으로 했던 과학자 James Franck와 Gustav Ludwig Hertz에 의해 1914년에 처음으로 수행된 연구였습니다.
프랑크와 헤르츠 실험
Hertz의 실험은 원자에 대한 보어의 양자 모델을 확인할 수 있었고, 원자는 양자라고 하는 특정 양의 에너지만 흡수할 수 있음을 증명했습니다. 그렇기 때문에 이것은 양자 물리학의 필수 실험 중 하나입니다. 이 연구 덕분에 프랑크와 헤르츠는 1925년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
역사, Hertz는 누구였습니까?
1913년 Niels Bohr는 후에 원자핵이라고 불리는 새로운 원자 모델의 존재를 주장했습니다. 보어 원자 모델, 그리고 전자 궤도의 존재를 제안했는데, 러더퍼드 원자 모델, 행성계와 매우 흡사합니다. 그의 모델을 통해 그는 네 가지 가정을 제안했으며 그 중 하나는 전자 궤도의 양자화와 관련이 있습니다.
이렇게 해서 첫 번째 실험은 이 양자화를 검증할 수 있다는 목표를 가지고 있었습니다. 첫 번째 실험에서는 빛이 사용되었는데, 그 당시에는 빛이 에너지 양자로 구성되어 있다는 사실이 알려져 있었기 때문입니다. 이러한 이유로 보어는 궤도 양자화 결과, 즉 원자 전자의 에너지 상태 양자화 결과가 빛의 양자화에만 그 기원을 두고 있다는 점에서 비판을 받고 있다.
1914년 원자의 이온화 에너지를 연구하던 Franck와 Hertz는 수은 원자의 에너지 준위를 이용한 실험을 고안했습니다. 그의 테스트는 빛을 사용하지 않고 전자와 수은 원자만 사용했습니다. 따라서 보어는 그의 원자 모델에 대한 반박할 수 없는 증명을 얻었습니다.
실제 Hertz 실험
처음에는 에너지 준위의 양자화를 입증하기 위해 진공관 내부에서 전자빔을 생성할 수 있는 음극, 극성 격자 및 양극으로 구성된 XNUMX극관을 사용했습니다. .
그런 다음 그들은 전자가 가지고 있는 운동 에너지에 따라 양극에서 받는 전류의 변형을 측정하여 충돌이 발생한 순간에 전자의 에너지 손실을 추론할 수 있었습니다.
자재
XNUMX극관 그룹은 수은이 들어 있는 유리 캡슐 안에 들어 있었습니다. 다른 온도에서 이 실험을 수행하는 것이 가능하며 이러한 결과를 수은이 액체 상태인 실온에서의 측정과 비교할 수 있는 것이 중요합니다.
수은을 630K의 온도로 가열하면 기체가 됩니다. 그러나 그 온도에 도달해야 하는 것을 피하기 위해 캡슐 내부의 감압으로 작업할 수 있으며 100~200°C 범위의 온도로 가열할 수 있습니다.
전자가 추출되고 관련 속도에 도달하려면 음극과 그리드 사이에 위치하는 전압을 사용해야 하며, 이는 가속 전압이 되어 다음을 생성합니다. 온다 드 라디오. 같은 방식으로, 전자의 속도를 늦추기 위해 양극과 그리드 사이에 반대 방향으로 전압을 놓는 것도 흥미로울 수 있습니다.
Hertz 실험 결과
에 설명된 대로 Hertz의 전기, 이 실험의 결과는 양극 출력에 배치된 전류-전압 변환기에서 발생할 전위차가 전자의 추출 전위차와 관련하여 발전하는 방식을 나타내는 것이 가능하다는 것입니다. 음극.
4,9V까지 낮은 전위차를 얻기 위해 튜브를 통해 흐르는 전류는 전위차가 증가함에 따라 꾸준히 증가합니다. 더 높은 전압으로 튜브의 전기장은 증가하고 전자는 가속 그리드 쪽으로 더 많은 힘으로 끌어당길 것입니다. 이 경우 4,9볼트에서 전류가 갑자기 거의 XNUMX으로 떨어지는 것을 볼 수 있습니다.
전압이 계속 증가하면 전류는 처음 사용된 전류의 정확히 9.8배인 9.8V에 도달할 때까지 꾸준히 증가하며 4.9V에서도 유사한 급격한 강하가 발생하는 것을 볼 수 있습니다. 약 100볼트의 증분에 대한 이러한 일련의 전류 강하는 적어도 약 XNUMX볼트의 전위까지 관찰 가능하게 유지됩니다.
Hertz 실험 결과의 해석
Franck와 Hertz는 전자의 탄성 충돌과 비탄성 충돌 조건에서의 실험을 설명할 수 있었습니다. 낮은 전위에서 가속된 전자는 적당한 양의 운동 에너지만 획득했습니다. 그들은 유리관의 수은 원자와 대면했을 때 탄성 충돌만을 일으켰습니다.
이것은 충돌 에너지가 더 높은 에너지 층에서 해당 원자에 결합된 전자를 여기시키는 데 필요한 값을 초과할 때까지 원자가 어떤 에너지도 흡수할 수 없다는 양자 역학의 예측에 있는 이유입니다.
탄성 충돌의 경우에만 시스템 내 운동 에너지의 절대량은 동일하게 유지됩니다. 전자는 덜 무거운 원자보다 약 XNUMX배 가벼운 질량을 가지고 있기 때문에 대부분의 전자가 운동 에너지를 유지하여 헤르츠파. 더 높은 전위는 그리드에서 양극으로 더 많은 전자를 유도하고 가속 전위가 4.9볼트에 도달할 때까지 관찰된 전류를 증가시키는 데 성공했습니다.
수은 원자가 가질 수 있는 가장 낮은 전자 여기 에너지에는 4,9eV(전자 볼트)가 필요합니다. 가속 전력이 4.9볼트에 도달한 경우 각 자유 전자는 그리드에 도달할 때까지 해당 온도에서 정지 에너지보다 정확히 4.9eV의 운동 에너지를 흡수했습니다.
이러한 이유로 수은 원자와 자유 전자의 충돌은 그 때 비탄성적일 수 있다. 즉, 자유 전자의 운동 에너지는 수은 원자를 가진 전자의 에너지 준위를 여기시켜 위치 에너지로 바뀔 수 있다. . 모든 운동 에너지가 손실되면 자유 전자는 접지 전극에서 약간의 음의 힘을 극복할 수 없으며 전류는 급격히 떨어집니다.
전압이 증가하면 전자는 비탄성 충돌을 형성하고 4.9eV의 운동 전위를 상실하지만 가속 상태를 유지합니다. 이와 같이 가속전위가 증가하면 측정되는 전류는 4.9V부터 다시 상승한다. 9.8V에 도달하면 상황이 다시 달라진다.
그 순간, 각 전자는 두 개의 수은 원자를 여기시킨 다음 모든 운동 에너지를 잃는 두 개의 비탄성 충돌의 일부가 되는 데 필요한 에너지를 갖습니다. 이것이 관찰된 전류 감소를 설명하는 것입니다. 4.9볼트 간격에서는 전자가 더 많은 비탄성 충돌을 겪을 것이기 때문에 이 절차가 반복됩니다.
