Ar žinote, kas hercų eksperimentas? Tai buvo 1914 m. pirmą kartą mokslininkų Jameso Francko ir Gustavo Ludwigo Hertzo atliktas tyrimas, kurio tikslas buvo nustatyti atomuose esančių elektronų energijos lygius.
Francko ir Hertzo eksperimentas
Hertzo eksperimentas sugebėjo patvirtinti Bohro kvantinį atomo modelį, įrodydamas, kad atomai gali sugerti tik tam tikrus energijos kiekius, vadinamus kvantais. Dėl šios priežasties tai yra vienas iš esminių kvantinės fizikos eksperimentų. Už šį tyrimą Franckas ir Hertzas 1925 metais buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija.
Istorija, kas buvo Hertzas?
1913 m. Nielsas Bohras pasisakė už naujo atomo modelio, vėliau vadinamo Bohr atominis modelis, ir pasiūlė elektronų orbitų egzistavimą, kurios kaip modelis buvo Rutherfordo atominis modelis, panašiai kaip planetų sistema. Savo modeliu jis pasiūlė keturis postulatus, iš kurių vienas buvo susijęs su elektronų orbitų kvantavimu.
Tokiu būdu pirmaisiais eksperimentais buvo siekiama patikrinti šį kvantavimą. Pirmuosiuose eksperimentuose buvo naudojama šviesa, nes tuo metu buvo žinoma, kad šviesa susideda iš energijos kvantų. Dėl šios priežasties Bohras kritikuojamas dėl to, kad orbitų kvantavimo, taigi ir atomo elektronų energetinių būsenų kvantavimo rezultatai kilo tik iš šviesos kvantavimo.
1914 m. Franckas ir Hercas, kurie dirbo su atomų jonizacijos energija, sukūrė eksperimentą, naudodami gyvsidabrio atomo energijos lygius. Jo bandyme buvo naudojami tik elektronai ir gyvsidabrio atomai, nenaudojant jokios šviesos. Taip Bohras gavo nepaneigiamą savo atominio modelio demonstravimą.
Hertzo eksperimentas praktiškai
Iš pradžių, norėdami parodyti energijos lygių kvantavimą, jie panaudojo triodą, sudarytą iš katodo, poliarizuoto tinklelio ir anodo, galinčio sukurti elektronų pluoštą vakuuminio vamzdžio viduje, kuriame yra gyvsidabrio dujinėje būsenoje. .
Tada jie pradėjo matuoti anodo gaunamos srovės modifikaciją pagal elektronų turimą kinetinę energiją ir taip galėjo padaryti išvadą apie elektronų energijos praradimą susidūrimo momentu.
Medžiaga
Triodų grupė buvo stiklinėje kapsulėje su gyvsidabriu. Šį eksperimentą galima atlikti esant skirtingoms temperatūroms ir svarbu, kad šiuos rezultatus būtų galima palyginti su matavimu kambario temperatūroje, kai gyvsidabris bus skystos būsenos.
Kai gyvsidabris įkaitinamas iki 630 K temperatūros, jis tampa dujomis. Tačiau norint išvengti tokios temperatūros, kapsulės viduje galima dirbti su sumažintu slėgiu ir ji gali būti kaitinama iki 100–200 °C temperatūros.
Kad elektronai būtų išgaunami ir pasiektumėte reikiamą greitį, turi būti naudojama įtampa, kuri bus tarp katodo ir tinklelio, kuri bus pagreičio įtampa, sukurianti Radio bangos. Taip pat gali būti įdomu įdėti įtampą priešinga kryptimi, tarp anodo ir tinklelio, kad būtų sulėtinti elektronai.
Hertz eksperimento rezultatai
Kaip paaiškinta Hertzo biografija, šio eksperimento rezultatas yra tas, kad bus galima parodyti potencialų skirtumo, atsirandančio dėl srovės-įtampos keitiklio, esančio anodo išėjime, raidą, atsižvelgiant į elektronų ištraukimo potencialo skirtumą nuo katodas.
Norint gauti mažus potencialų skirtumus, iki 4,9 V, srovė, tekanti per vamzdį, tolygiai didėja didėjant potencialų skirtumui. Didėjant įtampai, elektrinis laukas vamzdyje didėja ir elektronai bus traukiami su didesne jėga link pagreičio tinklelio. Šiuo atveju pastebima, kad esant 4,9 volto, srovė staiga nukrenta, beveik iki nulio.
Srovė nuolat didės, jei įtampa ir toliau didės, kol bus pasiekta 9.8 volto, o tai lygiai dvigubai viršija pirmą naudojamą srovės tūrį, ir matome, kad panašus staigus kritimas įvyksta esant 9.8 voltams. Ši srovės kritimo serija, kuri padidės maždaug 4.9 volto, pastebimai sumažės iki mažiausiai 100 voltų potencialo.
Hertz eksperimento rezultatų interpretacija
Franckas ir Hertzas sugebėjo paaiškinti savo eksperimentus elastingo susidūrimo ir neelastinio elektronų susidūrimo sąlygomis. Esant mažam potencialui, pagreitinti elektronai įgavo tik nedidelį kinetinės energijos kiekį. Kai jie susidūrė su gyvsidabrio atomais stikliniame vamzdyje, jie padarė tik elastingą susidūrimą.
Dėl šios priežasties kvantinės mechanikos prognozės rodo, kad atomas nesugeba sugerti jokios energijos, kol susidūrimo energija neviršija vertės, reikalingos sužadinti elektroną, kuris yra prijungtas prie minėto atomo aukštesnės energijos sluoksnyje.
Tik elastingų susidūrimų atveju absoliutus kinetinės energijos kiekis sistemoje išlieka toks pat. Kadangi elektronų masė yra maždaug tūkstantį kartų lengvesnė už mažiau masyvių atomų, tai reiškia, kad dauguma elektronų išlaikė savo kinetinę energiją ir tapo hercų bangos. Dėl didesnių potencialų daugiau elektronų buvo nukreipta iš tinklo į anodą ir taip pat pavyko padidinti stebimą srovę, kol pagreičio potencialas pasiekė 4.9 voltus.
Mažiausiai gyvsidabrio atomo elektroninei sužadinimo energijai reikia 4,9 elektronvoltų (eV). Tuo atveju, kai greitėjimo galia pasiekė 4.9 voltus, kiekvienas laisvas elektronas, pasiekęs tinklelį, absorbavo lygiai 4.9 eV kinetinės energijos, viršijančios ramybės energiją toje temperatūroje.
Dėl šios priežasties gyvsidabrio atomo ir laisvojo elektrono susidūrimas tuo metu gali būti neelastingas, tai yra, laisvo elektrono kinetinė energija gali būti paversta potencialia energija sužadinant elektrono, turinčio gyvsidabrio atomą, energijos lygį. . Kai prarandama visa jo kinetinė energija, laisvasis elektronas nepajėgia įveikti nedidelės neigiamos galios ant įžeminimo elektrodo, todėl elektros srovė smarkiai krenta.
Padidinus įtampą, elektronai sudaro neelastingą susidūrimą, praranda 4.9 eV kinetinį potencialą, bet tada lieka pagreitintos būsenos. Tokiu būdu, padidinus pagreičio potencialą, matuojama srovė vėl pakyla, pradedant nuo 4.9 V. Pasiekus 9.8 V, situacija vėl pasikeičia.
Tuo metu kiekvienas elektronas turi reikiamos energijos, kad galėtų dalyvauti dviejuose neelastiniuose susidūrimuose, kurie sugeba sužadinti du gyvsidabrio atomus ir tada prarasti visą kinetinę energiją. Tai paaiškina stebimą srovės sumažėjimą. 4.9 volto intervalais ši procedūra kartosis, nes elektronai patirs tolesnį neelastingą susidūrimą.
