Weet je wat de hertz-experiment? Het was een studie die in 1914 voor het eerst werd uitgevoerd door de wetenschappers James Franck en Gustav Ludwig Hertz, met als doel de kwantisering van de energieniveaus van de elektronen in atomen vast te stellen.
Franck en Hertz-experiment
Het experiment van Hertz was in staat om Bohr's kwantummodel van het atoom te bevestigen en bewees dat atomen alleen in staat waren om specifieke hoeveelheden energie, quanta genaamd, te absorberen. Om die reden is dit een van de essentiële experimenten voor de kwantumfysica. Voor dit onderzoek kregen Franck en Hertz in 1925 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.
Geschiedenis, wie was Hertz?
In het jaar 1913 pleitte Niels Bohr voor het bestaan van een nieuw model van het atoom, later de Bohr Atomic Model, en stelde het bestaan van elektronenbanen voor, die als model de Rutherford atoommodel, net als een planetair systeem. Met zijn model stelde hij vier postulaten voor, waarvan er één betrekking had op de kwantisering van de banen van de elektronen.
Op deze manier waren de eerste experimenten bedoeld om deze kwantisering te kunnen verifiëren. Bij de eerste experimenten werd gebruik gemaakt van licht, omdat in die tijd bekend was dat licht uit energiekwanta bestond. Om deze reden wordt Bohr bekritiseerd voor het feit dat de resultaten van de kwantisering van de banen, en dus van de kwantisering van de energietoestanden van de elektronen van het atoom, alleen hun oorsprong hadden in de kwantisering van licht.
In 1914 bedachten Franck en Hertz, die aan de ionisatie-energieën van atomen werkten, een experiment met de energieniveaus van het kwikatoom. Zijn test gebruikte alleen elektronen en kwikatomen, zonder licht. Zo verkreeg Bohr de onweerlegbare demonstratie van zijn atoommodel.
Hertz's experiment in de praktijk
Om de kwantisering van energieniveaus aan te tonen, gebruikten ze eerst een triode, bestaande uit een kathode, een gepolariseerd rooster en een anode, die in staat is een elektronenstraal te creëren in een vacuümbuis die kwik in gasvormige toestand bevat. .
Vervolgens gingen ze de wijziging van de stroom die door de anode wordt ontvangen, meten volgens de kinetische energie van de elektronen, en zo konden ze het energieverlies van de elektronen afleiden op het moment dat de botsingen plaatsvonden.
Materiaal
De triodegroep bevond zich in een glazen capsule die kwik bevatte. Het is mogelijk om dit experiment bij verschillende temperaturen uit te voeren en het is belangrijk om deze resultaten te kunnen vergelijken met een meting bij kamertemperatuur, waarbij het kwik in vloeibare toestand zal zijn.
Wanneer kwik wordt verwarmd tot een temperatuur van 630 K, wordt het een gas. Maar om te voorkomen dat je die temperatuur moet bereiken, is het mogelijk om met een verminderde druk in de capsule te werken en kan deze worden verwarmd tot een temperatuur tussen 100 en 200 °C.
Om de elektronen te extraheren en om een relevante snelheid te bereiken, moet een spanning worden gebruikt die zich tussen de kathode en het rooster zal bevinden, wat een versnellingsspanning zal zijn, die Radio golven. Op dezelfde manier kan het interessant zijn om een spanning in de tegenovergestelde richting te plaatsen, tussen de anode en het rooster, om de elektronen te vertragen.
De resultaten van het Hertz-experiment
Zoals uitgelegd in De biografie van Hertz, is het resultaat van dit experiment dat het mogelijk zal zijn om de manier weer te geven waarop het potentiaalverschil dat zal resulteren uit een stroom-spanningsomzetter die aan de anode-uitgang wordt geplaatst, evolueert in relatie tot het extractiepotentiaalverschil van elektronen uit de kathode.
Om lage potentiaalverschillen te verkrijgen, tot 4,9 V, neemt de stroom die door de buis vloeit gestaag toe met toenemend potentiaalverschil. Met de hogere spanning neemt het elektrisch veld in de buis toe en zullen de elektronen met meer kracht naar het versnellingsrooster worden getrokken. In dit geval wordt waargenomen dat bij 4,9 volt de stroom plotseling daalt, bijna terug naar nul.
De stroom zal gestaag toenemen als de spanning blijft stijgen, totdat 9.8 volt wordt bereikt, wat precies het dubbele is van het eerste gebruikte stroomvolume, en we kunnen zien dat een vergelijkbare plotselinge daling optreedt bij 9.8 volt. Deze reeks stroomdalingen met stappen van ongeveer 4.9 volt zal waarneembaar worden vastgehouden tot potentialen van ten minste ongeveer 100 volt.
Interpretatie van de resultaten van het Hertz-experiment
Franck en Hertz konden hun experimenten verklaren onder omstandigheden van elastische botsing en inelastische botsing van elektronen. Bij lage potentialen kregen de versnelde elektronen slechts een matige hoeveelheid kinetische energie. Toen ze de kwikatomen in de glazen buis confronteerden, maakten ze alleen elastische botsingen.
Dit heeft zijn reden om in de voorspelling van de kwantummechanica te zijn die aangaf dat een atoom geen energie kan absorberen totdat de energie van de botsing de waarde overschrijdt die nodig is om een elektron te exciteren dat aan dat atoom is gebonden op een hogere energielaag.
Voor alleen elastische botsingen blijft de absolute hoeveelheid kinetische energie binnen het systeem hetzelfde. Omdat elektronen een massa hebben die ongeveer duizend keer lichter is dan minder massieve atomen, betekent dit dat de meeste elektronen hun kinetische energie behouden, waardoor ze hertz golven. Hogere potentialen resulteerden in het aandrijven van meer elektronen van het rooster naar de anode en slaagden er ook in de waargenomen stroom te verhogen, totdat het versnellingspotentieel 4.9 volt bereikte.
De laagste elektronische excitatie-energie die een kwikatoom kan hebben, heeft 4,9 elektronvolt (eV) nodig. In het geval dat het versnellende vermogen 4.9 volt bereikte, absorbeerde elk vrij elektron precies 4.9 eV kinetische energie, boven zijn rustenergie bij die temperatuur, tegen de tijd dat het het raster bereikte.
Om deze reden kan een botsing tussen een kwikatoom en een vrij elektron op dat moment inelastisch zijn, dat wil zeggen dat de kinetische energie van een vrij elektron kan worden omgezet in potentiële energie door het energieniveau van een elektron met een kwikatoom te exciteren . Wanneer al zijn kinetische energie verloren gaat, is het vrije elektron niet in staat het lichte negatieve vermogen bij de aardelektrode te overwinnen en daalt de elektrische stroom abrupt.
Wanneer de spanning wordt verhoogd, vormen de elektronen een inelastische botsing, verliezen hun kinetische potentiaal van 4.9 eV, maar blijven dan in een versnelde toestand. Op deze manier stijgt de stroom die gemeten wordt bij het verhogen van het acceleratiepotentieel weer vanaf 4.9 V. Als 9.8 V wordt bereikt, verandert de situatie weer.
Op dat moment heeft elk elektron de nodige energie om deel uit te maken van twee niet-elastische botsingen, die erin slagen twee kwikatomen op te wekken en vervolgens al hun kinetische energie te verliezen. Dit verklaart de waargenomen stroomafname. In de intervallen van 4.9 volt herhaalt deze procedure zich, omdat de elektronen een verdere inelastische botsing zullen ervaren.
