Czy wiesz, co Eksperyment Hertza? Było to badanie przeprowadzone po raz pierwszy w 1914 roku przez naukowców Jamesa Francka i Gustava Ludwiga Hertza, którego celem było ustalenie kwantyzacji poziomów energetycznych elektronów obecnych w atomach.
Eksperyment Francka i Hertza
Eksperyment Hertza był w stanie potwierdzić kwantowy model atomu Bohra, dowodząc, że atomy są zdolne do pochłaniania tylko określonych ilości energii zwanych kwantami. Z tego powodu jest to jeden z podstawowych eksperymentów fizyki kwantowej. Dzięki tym badaniom Franck i Hertz otrzymali w 1925 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Historia, kim był Hertz?
W roku 1913 Niels Bohr opowiadał się za istnieniem nowego modelu atomu, nazwanego później Model atomowy Bohra, i zaproponował istnienie orbit elektronów, co było wzorowane na Model atomowy Rutherforda, podobnie jak układ planetarny. W swoim modelu zaproponował cztery postulaty, z których jeden dotyczył kwantyzacji orbit elektronów.
W ten sposób pierwsze eksperymenty miały na celu zweryfikowanie tej kwantyzacji. W pierwszych eksperymentach używano światła, ponieważ już wtedy było wiadomo, że światło składa się z kwantów energii. Z tego powodu krytykuje się Bohra za to, że wyniki kwantyzacji orbit, a zatem kwantyzacji stanów energetycznych elektronów atomu, miały swoje źródło jedynie w kwantyzacji światła.
W 1914 roku Franck i Hertz, którzy pracowali nad energiami jonizacji atomów, opracowali eksperyment wykorzystujący poziomy energetyczne atomu rtęci. Jego test wykorzystywał tylko elektrony i atomy rtęci, bez użycia światła. W ten sposób Bohr uzyskał niepodważalną demonstrację swojego modelu atomowego.
Eksperyment Hertza w praktyce
Najpierw, aby zademonstrować kwantowanie poziomów energii, użyli triody, złożonej z katody, spolaryzowanej siatki i anody, która jest zdolna do wytworzenia wiązki elektronów wewnątrz lampy próżniowej. stan gazowy.
Następnie przystąpili do pomiaru zmiany prądu odbieranego przez anodę zgodnie z energią kinetyczną posiadaną przez elektrony, a tym samym byli w stanie wydedukować utratę energii elektronów w momencie zderzenia.
Materiał
Grupa triodowa była zawarta w szklanej kapsułce zawierającej rtęć. Można przeprowadzić to doświadczenie w różnych temperaturach i ważne jest, aby móc porównać te wyniki z pomiarem w temperaturze pokojowej, w której rtęć będzie w stanie ciekłym.
Rtęć podgrzana do temperatury 630 K zamienia się w gaz. Aby jednak uniknąć konieczności osiągania tej temperatury, można pracować przy obniżonym ciśnieniu wewnątrz kapsuły i można ją podgrzać do temperatury w zakresie od 100 do 200°C.
Aby elektrony zostały wydobyte i abyś osiągnął odpowiednią prędkość, musisz użyć napięcia, które będzie zlokalizowane między katodą a siatką, które będzie napięciem przyspieszającym, wytwarzającym fale radiowe. W ten sam sposób interesujące może być umieszczenie napięcia w przeciwnym kierunku, między anodą a siatką, w celu spowolnienia elektronów.
Wyniki eksperymentu Hertza
Jak wyjaśniono w Biografia Hertza, w wyniku tego eksperymentu będzie można przedstawić sposób, w jaki zmienia się różnica potencjałów wynikająca z przetwornika prądowo-napięciowego umieszczonego na wyjściu anodowym, w stosunku do różnicy potencjałów ekstrakcji elektronów z katoda.
Aby uzyskać małe różnice potencjałów, do 4,9 V, prąd przepływający przez rurkę stale wzrasta wraz ze wzrostem różnicy potencjałów. Przy wyższym napięciu pole elektryczne w rurze wzrasta, a elektrony będą silniej przyciągane w kierunku siatki przyspieszeń. W tym przypadku obserwuje się, że przy 4,9 wolta prąd nagle spada, prawie do zera.
Prąd będzie stale wzrastał, jeśli napięcie będzie nadal rosło, aż do osiągnięcia 9.8 wolta, co stanowi dokładnie dwukrotność pierwszego użytego natężenia prądu. Widzimy, że podobny nagły spadek występuje przy napięciu 9.8 wolta. Ta seria spadków prądu dla wzrostu o około 4.9 wolta będzie w zauważalny sposób utrzymywać potencjały co najmniej około 100 woltów.
Interpretacja wyników eksperymentu Hertza
Franck i Hertz byli w stanie wyjaśnić swoje eksperymenty w warunkach zderzenia sprężystego i niesprężystego zderzenia elektronów. W przypadku niskich potencjałów przyspieszane elektrony uzyskiwały jedynie umiarkowaną ilość energii kinetycznej. W obliczu atomów rtęci w szklanej rurce powstały tylko zderzenia sprężyste.
Ma to swój raison d'être w przewidywaniu mechaniki kwantowej, które wskazywało, że atom nie jest w stanie pochłonąć żadnej energii, dopóki energia zderzenia nie przekroczy wartości wymaganej do wzbudzenia elektronu, który jest połączony z tym atomem do warstwy o wyższej energii .
W przypadku wyłącznie zderzeń sprężystych bezwzględna ilość energii kinetycznej w układzie pozostaje taka sama. Ponieważ elektrony mają masę około tysiąc razy mniejszą niż mniej masywne atomy, oznacza to, że większość elektronów zachowała swoją energię kinetyczną, stając się fale hercowe. Wyższe potencjały spowodowały przeniesienie większej liczby elektronów z siatki do anody, a także zwiększyły obserwowany prąd, aż potencjał przyspieszenia osiągnął 4.9 wolta.
Najniższa elektroniczna energia wzbudzenia, jaką może mieć atom rtęci, wymaga 4,9 elektronowoltów (eV). W przypadku, gdy moc przyspieszenia osiągnęła 4.9 wolta, każdy swobodny elektron pochłonął dokładnie 4.9 eV energii kinetycznej, powyżej jego energii spoczynkowej w tej temperaturze, zanim dotarł do siatki.
Z tego powodu zderzenie atomu rtęci z wolnym elektronem może być w tym momencie nieelastyczne, to znaczy energia kinetyczna swobodnego elektronu może zostać przekształcona w energię potencjalną poprzez wzbudzenie poziomu energii elektronu zawierającego atom rtęci . Kiedy cała energia kinetyczna zostaje utracona, swobodny elektron nie jest w stanie pokonać niewielkiej ujemnej mocy na elektrodzie uziemienia, a prąd elektryczny gwałtownie spada.
Przy wzroście napięcia elektrony zderzają się nieelastycznie, tracą swój potencjał kinetyczny o wartości eV 4.9, ale pozostają w stanie przyspieszonym. W ten sposób zmierzony prąd ponownie wzrasta, gdy potencjał przyspieszenia wzrasta, zaczynając od 4.9 V. Po osiągnięciu 9.8 V sytuacja ponownie się zmienia.
W tym momencie każdy elektron ma energię niezbędną do udziału w dwóch nieelastycznych zderzeniach, które wzbudzają dwa atomy rtęci, a następnie tracą całą swoją energię kinetyczną. To tłumaczy obecne spadki. W odstępach 4.9 wolta procedura ta będzie się powtarzać, ponieważ elektrony będą ulegać dodatkowemu zderzeniu nieelastycznemu.
