Vet du hva hertz eksperiment? Det var en studie utført for første gang i 1914 av forskerne James Franck og Gustav Ludwig Hertz, hvis formål var å etablere kvantisering av energinivåene til elektronene som er tilstede i atomer.
Franck og Hertz eksperimenter
Hertz sitt eksperiment var i stand til å bekrefte Bohrs kvantemodell av atomet, og beviste at atomer bare var i stand til å absorbere spesifikke mengder energi kalt kvanter. Av den grunn er dette et av de essensielle eksperimentene for kvantefysikk. For denne forskningen ble Franck og Hertz tildelt Nobelprisen i fysikk i 1925.
Historie, hvem var Hertz?
I år 1913 tok Niels Bohr til orde for eksistensen av en ny modell av atomet, senere kalt Bohr Atomic Model, og foreslo eksistensen av elektronbaner, som hadde som modell Rutherford atommodell, omtrent som et planetsystem. Med sin modell foreslo han fire postulater, hvorav ett var relatert til kvantiseringen av elektronenes baner.
På denne måten hadde de første eksperimentene som mål å kunne verifisere denne kvantiseringen. I de første forsøkene ble lys brukt, siden man på den tiden visste at lys var bygd opp av energikvanter. Av denne grunn blir Bohr kritisert for det faktum at resultatene av kvantiseringen av banene, og derfor av kvantiseringen av energitilstandene til atomets elektroner, kun hadde sin opprinnelse i kvantiseringen av lys.
I 1914 utviklet Franck og Hertz, som jobbet med ioniseringsenergiene til atomer, et eksperiment med bruk av energinivåene til kvikksølvatomet. Testen hans brukte bare elektroner og kvikksølvatomer, uten å bruke noe lys. Bohr oppnådde dermed den ugjendrivelige demonstrasjonen av sin atommodell.
Hertz sitt eksperiment i praksis
Til å begynne med, for å demonstrere kvantisering av energinivåer, brukte de en triode bestående av en katode, et polarisert rutenett og en anode, som er i stand til å skape en elektronstråle inne i et vakuumrør som inneholder kvikksølv i gassform. .
De fortsatte deretter med å måle modifikasjonen av strømmen mottatt av anoden i henhold til den kinetiske energien som elektronene besitter, og dermed var de i stand til å utlede energitapet til elektronene i det øyeblikket kollisjonene skjedde.
Materiale
Triodegruppen var inneholdt i en glasskapsel som inneholdt kvikksølv. Det er mulig å gjennomføre dette forsøket ved forskjellige temperaturer og det er viktig å kunne sammenligne disse resultatene med en måling ved romtemperatur, hvor kvikksølvet vil være i flytende tilstand.
Når kvikksølv varmes opp til en temperatur på 630 K, blir det en gass. Men for å unngå å måtte nå den temperaturen er det mulig å jobbe med redusert trykk inne i kapselen og den kan varmes opp til en temperatur som varierer mellom 100 og 200 °C.
For at elektronene skal trekkes ut og for at du skal nå en relevant hastighet, må det brukes en spenning som vil være plassert mellom katoden og gitteret, som vil være en akselerasjonsspenning som produserer radiobølger. På samme måte kan det være interessant å legge en spenning i motsatt retning, mellom anoden og gitteret, for å bremse elektronene.
Resultatene av Hertz-eksperimentet
Som forklart i Hertz sin biografi, er resultatet av dette eksperimentet at det vil være mulig å representere måten potensialforskjellen som vil resultere fra en strøm-spenningsomformer som er plassert ved anodeutgangen utvikler seg, i forhold til ekstraksjonspotensialforskjellen til elektroner fra katode.
For å oppnå lave potensialforskjeller, ned til 4,9 V, øker strømmen som flyter gjennom røret jevnt med økende potensialforskjell. Med den høyere spenningen øker det elektriske feltet i røret og elektronene vil trekkes med mer kraft mot akselerasjonsnettet. I dette tilfellet er det observert at ved 4,9 volt faller strømmen plutselig, nesten tilbake til null.
Strømmen vil øke jevnt og trutt dersom spenningen fortsetter å øke, helt til 9.8 volt er nådd, som er nøyaktig det dobbelte av det første strømvolumet som ble brukt, og vi kan se at et lignende plutselig fall oppstår ved 9.8 volt. Denne serien av strømfall i trinn på ca. 4.9 volt vil holde seg observerbart nede til potensialer på minst ca. 100 volt.
Tolkning av resultatene av Hertz-eksperimentet
Franck og Hertz var i stand til å forklare eksperimentene sine under forhold med elastisk kollisjon og uelastisk kollisjon av elektroner. Ved lave potensialer fikk de akselererte elektronene bare en moderat mengde kinetisk energi. Da de konfronterte kvikksølvatomene i glassrøret, gjorde de kun elastiske kollisjoner.
Dette har sin grunn til å være i prediksjonen av kvantemekanikk som indikerte at et atom ikke er i stand til å absorbere noen energi før energien til kollisjonen overstiger verdien som kreves for å eksitere et elektron som er bundet til atomet ved et høyere energilag.
For bare elastiske kollisjoner forblir den absolutte mengden kinetisk energi i systemet den samme. Fordi elektroner har en masse som er omtrent tusen ganger lettere enn mindre massive atomer, betyr dette at de fleste elektronene beholdt sin kinetiske energi, og ble hertz bølger. Høyere potensialer resulterte i å drive flere elektroner fra nettet til anoden og lyktes også i å øke den observerte strømmen, inntil akselerasjonspotensialet nådde 4.9 volt.
Den laveste elektroniske eksitasjonsenergien et kvikksølvatom kan ha trenger 4,9 elektronvolt (eV). I tilfellet der akselerasjonskraften nådde 4.9 volt, absorberte hvert fritt elektron nøyaktig 4.9 eV kinetisk energi, over hvileenergien ved den temperaturen, da det nådde nettet.
Av denne grunn kan en kollisjon mellom et kvikksølvatom og et fritt elektron være uelastisk på det tidspunktet, det vil si at den kinetiske energien til et fritt elektron kan gjøres om til potensiell energi ved å stimulere energinivået til et elektron som har et kvikksølvatom . Når all kinetisk energi går tapt, klarer ikke det frie elektronet å overvinne den svake negative kraften ved jordelektroden, og den elektriske strømmen faller bratt.
Når spenningen økes, danner elektronene en uelastisk kollisjon, mister det kinetiske potensialet på 4.9 eV, men forblir så i en akselerert tilstand. På denne måten stiger strømmen som måles igjen når akselerasjonspotensialet økes, med start fra 4.9 V. Når 9.8 V nås endres situasjonen igjen.
I det øyeblikket har hvert elektron den nødvendige energien til å være en del av to uelastiske kollisjoner, som klarer å eksitere to kvikksølvatomer, og deretter miste all kinetisk energi. Det er dette som forklarer den observerte strømnedgangen. I intervallene på 4.9 volt vil denne prosedyren gjenta seg selv, fordi elektronene kommer til å oppleve en ytterligere uelastisk kollisjon.
