Você sabe o que experimento hertz? Foi um estudo realizado pela primeira vez em 1914 pelos cientistas James Franck e Gustav Ludwig Hertz, cujo objetivo era estabelecer a quantização dos níveis de energia dos elétrons presentes nos átomos.
Experiência de Franck e Hertz
O experimento de Hertz foi capaz de confirmar o modelo quântico do átomo de Bohr, provando que os átomos só eram capazes de absorver quantidades específicas de energia chamadas quanta. Por essa razão, este é um dos experimentos essenciais para a física quântica. Por causa dessa pesquisa, Franck e Hertz receberam o Prêmio Nobel de Física em 1925.
História, quem foi Hertz?
Em 1913, Niels Bohr defendeu a existência de um novo modelo do átomo, mais tarde chamado de Modelo Atômico Bohr, e propôs a existência de órbitas eletrônicas, que tiveram como modelo a Modelo atômico de Rutherford, muito parecido com um sistema planetário. Com seu modelo ele propôs quatro postulados, um deles relacionado à quantização das órbitas dos elétrons.
Dessa forma, os primeiros experimentos visavam poder verificar essa quantização. Nos primeiros experimentos, foi utilizada a luz, pois naquela época se sabia que a luz era composta de quanta de energia. Por isso, Bohr é criticado pelo fato de que os resultados da quantização das órbitas e, portanto, da quantização dos estados de energia dos elétrons do átomo, tiveram sua origem apenas na quantização da luz.
Em 1914, Franck e Hertz, que trabalhavam nas energias de ionização dos átomos, criaram um experimento usando os níveis de energia do átomo de mercúrio. Seu teste usou apenas elétrons e átomos de mercúrio, sem usar nenhuma luz. Bohr obteve assim a demonstração irrefutável de seu modelo atômico.
A experiência de Hertz na prática
A princípio, para demonstrar a quantização dos níveis de energia, eles utilizaram um triodo, formado por um cátodo, uma grade polarizada e um ânodo, capaz de criar um feixe de elétrons dentro de um tubo de vácuo contendo mercúrio em estado gasoso .
Eles então passaram a medir a modificação da corrente recebida pelo ânodo de acordo com a energia cinética possuída pelos elétrons, e assim puderam deduzir a perda de energia dos elétrons no momento em que ocorreram as colisões.
Material
O grupo triodo estava contido dentro de uma cápsula de vidro contendo mercúrio. É possível realizar este experimento em diferentes temperaturas e é importante poder comparar esses resultados com uma medição à temperatura ambiente, na qual o mercúrio estará no estado líquido.
Quando o mercúrio é aquecido a uma temperatura de 630 K, torna-se um gás. Mas para não ter que atingir essa temperatura, é possível trabalhar com uma pressão reduzida dentro da cápsula e ela pode ser aquecida a uma temperatura que varia entre 100 e 200°C.
Para que os elétrons sejam extraídos e você atinja uma velocidade relevante, deve ser utilizada uma tensão que ficará localizada entre o cátodo e a grade, que será uma tensão de aceleração, produzindo ondas de rádio. Da mesma forma, pode ser interessante colocar uma tensão na direção oposta, entre o ânodo e a grade, para desacelerar os elétrons.
Os resultados do experimento de Hertz
Conforme explicado em biografia de Hertz, o resultado deste experimento é que será possível representar a forma como evolui a diferença de potencial que resultará de um conversor corrente-tensão que é colocado na saída do ânodo, em relação à diferença de potencial de extração de elétrons do cátodo.
Para obter diferenças de potencial baixas, até 4,9 V, a corrente que flui através do tubo aumenta de forma constante com o aumento da diferença de potencial. Com a tensão mais alta o campo elétrico no tubo aumenta e os elétrons serão atraídos com mais força em direção à grade de aceleração. Nesse caso, você vê que em 4,9 volts, a corrente cai repentinamente, quase de volta a zero.
A corrente aumentará de forma constante se a tensão continuar a aumentar, até atingir 9.8 volts, que é exatamente o dobro do primeiro volume de corrente usado, e podemos ver que uma queda repentina semelhante ocorre em 9.8 volts. Esta série de quedas de corrente para incrementos de cerca de 4.9 volts se manterá observavelmente abaixo de potenciais de pelo menos cerca de 100 volts.
Interpretação dos resultados do experimento Hertz
Franck e Hertz foram capazes de explicar seus experimentos sob condições de colisão elástica e colisão inelástica de elétrons. Em baixos potenciais, os elétrons acelerados adquiriram apenas uma quantidade moderada de energia cinética. Quando confrontaram os átomos de mercúrio no tubo de vidro, fizeram apenas colisões elásticas.
Isso tem sua razão de ser na previsão da mecânica quântica que indicou que um átomo não é capaz de absorver qualquer energia até que a energia da colisão exceda o valor necessário para excitar um elétron que está ligado ao referido átomo em uma camada de energia mais alta.
Para apenas colisões elásticas, a quantidade absoluta de energia cinética dentro do sistema permanece a mesma. Como os elétrons têm uma massa cerca de mil vezes mais leve que os átomos menos massivos, isso significa que a maioria dos elétrons reteve sua energia cinética, tornando-se ondas hertz. Potenciais mais altos resultaram na condução de mais elétrons da grade para o ânodo e também conseguiram aumentar a corrente observada, até que o potencial de aceleração atingiu 4.9 volts.
A energia de excitação eletrônica mais baixa que um átomo de mercúrio pode ter precisa de 4,9 elétron-volts (eV). No caso em que a potência de aceleração atingiu 4.9 volts, cada elétron livre absorveu exatamente 4.9 eV de energia cinética, acima de sua energia de repouso naquela temperatura, no momento em que atingiu a rede.
Por esta razão, uma colisão entre um átomo de mercúrio e um elétron livre pode ser inelástica nesse instante, ou seja, a energia cinética de um elétron livre pode ser transformada em energia potencial excitando o nível de energia de um elétron que possui um átomo de mercúrio. . Quando toda a sua energia cinética é perdida, o elétron livre é incapaz de superar a pequena potência negativa no eletrodo terra, e a corrente elétrica cai vertiginosamente.
Quando a tensão aumenta, os elétrons formam uma colisão inelástica, perdem seu potencial cinético de 4.9 eV, mas depois permanecem em estado acelerado. Desta forma, a corrente medida volta a subir quando o potencial de aceleração é aumentado, partindo de 4.9 V. Ao atingir 9.8 V, a situação muda novamente.
Nesse momento, cada elétron tem a energia necessária para fazer parte de duas colisões inelásticas, o que consegue excitar dois átomos de mercúrio, e então perder toda a sua energia cinética. Isto é o que explica as diminuições de corrente observadas. Nos intervalos de 4.9 volts, esse procedimento se repetirá, pois os elétrons sofrerão mais uma colisão inelástica.
