Adakah anda tahu apa yang eksperimen hertz? Ia adalah satu kajian yang dijalankan buat kali pertama pada tahun 1914 oleh saintis James Franck dan Gustav Ludwig Hertz, yang tujuannya adalah untuk mewujudkan kuantisasi tahap tenaga elektron yang terdapat dalam atom.
Percubaan Franck dan Hertz
Eksperimen Hertz dapat mengesahkan model kuantum atom Bohr, membuktikan bahawa atom hanya mampu menyerap jumlah tenaga tertentu yang dipanggil quanta. Atas sebab itu, ini adalah salah satu eksperimen penting untuk fizik kuantum. Untuk penyelidikan ini, Franck dan Hertz telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1925.
Sejarah, Siapa Hertz?
Pada tahun 1913, Niels Bohr menganjurkan kewujudan model baru atom, yang kemudiannya dipanggil Model Atom Bohr, dan mencadangkan kewujudan orbit elektron, yang mempunyai sebagai model Model Atom Rutherford, sama seperti sistem planet. Dengan modelnya dia mencadangkan empat postulat, salah satunya berkaitan dengan pengkuantitian orbit elektron.
Dengan cara ini, percubaan pertama bertujuan untuk mengesahkan pengkuantitian ini. Dalam eksperimen pertama, cahaya digunakan, kerana pada masa itu diketahui bahawa cahaya terdiri daripada kuanta tenaga. Atas sebab ini, Bohr dikritik kerana fakta bahawa hasil kuantisasi orbit, dan oleh itu, kuantisasi keadaan tenaga elektron atom, hanya berasal dari kuantisasi cahaya.
Pada tahun 1914, Franck dan Hertz, yang sedang mengusahakan tenaga pengionan atom, telah mencipta satu eksperimen menggunakan tahap tenaga atom merkuri. Ujiannya hanya menggunakan elektron dan atom merkuri, tanpa menggunakan sebarang cahaya. Oleh itu, Bohr memperoleh demonstrasi yang tidak dapat disangkal tentang model atomnya.
Percubaan Hertz dalam amalan
Pada mulanya, untuk menunjukkan pengkuantitian tahap tenaga, mereka menggunakan triod, terdiri daripada katod, grid terkutub dan anod, yang mampu mencipta rasuk elektron di dalam tiub vakum. yang mengandungi merkuri dalam keadaan gas .
Mereka kemudiannya meneruskan untuk mengukur pengubahsuaian arus yang diterima oleh anod mengikut tenaga kinetik yang dimiliki oleh elektron, dan dengan itu mereka dapat menyimpulkan kehilangan tenaga elektron pada masa di mana perlanggaran berlaku.
Material
Kumpulan triod itu terkandung dalam kapsul kaca yang mengandungi merkuri. Adalah mungkin untuk menjalankan eksperimen ini pada suhu yang berbeza dan adalah penting untuk dapat membandingkan keputusan ini dengan pengukuran pada suhu bilik, di mana merkuri akan berada dalam keadaan cair.
Apabila merkuri dipanaskan pada suhu 630 K, ia menjadi gas. Tetapi untuk mengelak daripada mencapai suhu itu, adalah mungkin untuk bekerja dengan tekanan yang dikurangkan di dalam kapsul dan ia boleh dipanaskan pada suhu yang berjulat antara 100 dan 200 °C.
Untuk elektron diekstrak dan untuk anda mencapai kelajuan yang berkaitan, voltan mesti digunakan yang akan terletak di antara katod dan grid, yang akan menjadi voltan pecutan, menghasilkan gelombang radio. Dengan cara yang sama, mungkin menarik untuk meletakkan voltan dalam arah yang bertentangan, antara anod dan grid, untuk memperlahankan elektron.
Keputusan eksperimen Hertz
Seperti yang dijelaskan dalam Biografi Hertz, keputusan eksperimen ini adalah mungkin untuk mewakili cara di mana beza keupayaan yang akan terhasil daripada penukar voltan arus yang diletakkan pada keluaran anod berkembang, berhubung dengan beza keupayaan pengekstrakan elektron daripada katod.
Untuk mendapatkan beza keupayaan rendah, turun kepada 4,9 V, arus yang mengalir melalui tiub meningkat secara berterusan dengan peningkatan beza keupayaan. Dengan voltan yang lebih tinggi medan elektrik dalam tiub meningkat dan elektron akan ditarik dengan lebih daya ke arah grid pecutan. Dalam kes ini, anda melihat bahawa pada 4,9 volt, arus turun secara tiba-tiba, hampir kembali kepada sifar.
Arus akan meningkat secara berterusan jika voltan terus meningkat, sehingga 9.8 volt dicapai, iaitu dua kali ganda isipadu pertama arus yang digunakan, dan kita dapat melihat bahawa penurunan mendadak yang serupa berlaku pada 9.8 volt. Siri penurunan arus ini untuk kenaikan kira-kira 4.9 volt akan bertahan dengan ketara kepada potensi sekurang-kurangnya kira-kira 100 volt.
Tafsiran keputusan eksperimen Hertz
Franck dan Hertz dapat menerangkan eksperimen mereka dalam keadaan perlanggaran kenyal dan perlanggaran tak kenyal elektron. Pada potensi rendah, elektron yang dipercepatkan hanya memperoleh jumlah tenaga kinetik yang sederhana. Apabila mereka berhadapan dengan atom merkuri dalam tiub kaca, mereka hanya membuat perlanggaran elastik.
Ini mempunyai sebab untuk berada dalam ramalan mekanik kuantum yang menunjukkan bahawa atom tidak mampu menyerap sebarang tenaga sehingga tenaga perlanggaran melebihi nilai yang diperlukan untuk mengujakan elektron yang terikat pada atom tersebut pada lapisan tenaga yang lebih tinggi.
Untuk hanya perlanggaran anjal, jumlah mutlak tenaga kinetik dalam sistem kekal sama. Oleh kerana elektron mempunyai jisim yang kira-kira seribu kali lebih ringan daripada atom kurang jisim, ini bermakna kebanyakan elektron mengekalkan tenaga kinetiknya, menjadi gelombang hertz. Potensi yang lebih tinggi menyebabkan pemacuan lebih banyak elektron dari grid ke anod dan juga berjaya meningkatkan arus yang diperhatikan, sehingga potensi pecutan mencapai 4.9 volt.
Tenaga pengujaan elektronik terendah yang boleh dimiliki oleh atom merkuri memerlukan 4,9 volt elektron (eV). Dalam kes di mana kuasa pecutan mencapai 4.9 volt, setiap elektron bebas menyerap tepat 4.9 eV tenaga kinetik, melebihi tenaga rehatnya pada suhu itu, pada masa ia mencapai grid.
Atas sebab ini, perlanggaran antara atom merkuri dan elektron bebas boleh menjadi tidak anjal pada masa itu, iaitu tenaga kinetik elektron bebas boleh ditukar menjadi tenaga keupayaan dengan mengujakan tahap tenaga elektron yang mempunyai atom merkuri. . Apabila semua tenaga kinetiknya hilang, elektron bebas tidak dapat mengatasi sedikit kuasa negatif pada elektrod tanah, dan arus elektrik turun dengan mendadak.
Apabila voltan dinaikkan, elektron membentuk perlanggaran tidak anjal, kehilangan potensi kinetiknya sebanyak 4.9 eV, tetapi kemudian kekal dalam keadaan dipercepat. Dengan cara ini, arus yang diukur naik semula apabila potensi pecutan ditingkatkan, bermula dari 4.9 V. Apabila 9.8 V dicapai, keadaan berubah semula.
Pada masa itu, setiap elektron mempunyai tenaga yang diperlukan untuk menjadi sebahagian daripada dua perlanggaran tak anjal, yang berjaya merangsang dua atom merkuri, dan kemudian kehilangan semua tenaga kinetiknya. Inilah yang menjelaskan arus yang diperhatikan berkurangan. Dalam selang 4.9 volt, prosedur ini akan berulang, kerana elektron akan mengalami perlanggaran tak kenyal selanjutnya.
