Știi ce experimentul hertz? A fost un studiu realizat pentru prima dată în 1914 de oamenii de știință James Franck și Gustav Ludwig Hertz, al cărui scop a fost să stabilească cuantificarea nivelurilor de energie ale electronilor prezenți în atomi.
Experimentul Franck și Hertz
Experimentul lui Hertz a putut confirma modelul cuantic al atomului lui Bohr, demonstrând că atomii erau capabili doar să absoarbă cantități specifice de energie numite cuante. Din acest motiv, acesta este unul dintre experimentele esențiale pentru fizica cuantică. Pentru această cercetare, Franck și Hertz au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1925.
Istorie, cine a fost Hertz?
În anul 1913, Niels Bohr a susținut existența unui nou model de atom, numit mai târziu Modelul atomic Bohr, și a propus existența orbitelor de electroni, care au avut ca model pe Modelul atomic Rutherford, la fel ca un sistem planetar. Cu modelul său a propus patru postulate, dintre care unul era legat de cuantizarea orbitelor electronilor.
În acest fel, primele experimente au urmărit să se poată verifica această cuantificare. În primele experimente s-a folosit lumina, deoarece la acea vreme se știa că lumina era alcătuită din cuante de energie. Din acest motiv, Bohr este criticat pentru faptul că rezultatele cuantizării orbitelor, și deci, ale cuantizării stărilor energetice ale electronilor atomului, și-au avut originea doar în cuantizarea luminii.
În 1914, Franck și Hertz, care lucrau la energiile de ionizare ale atomilor, au conceput un experiment folosind nivelurile de energie ale atomului de mercur. Testul său a folosit doar electroni și atomi de mercur, fără a folosi nicio lumină. Bohr a obținut astfel demonstrația de nerefuzat a modelului său atomic.
Experimentul lui Hertz în practică
La început, pentru a demonstra cuantizarea nivelurilor de energie, au folosit o triodă, formată dintr-un catod, o rețea polarizată și un anod, care este capabilă să creeze un fascicul de electroni în interiorul unui tub vidat, care conține mercur în stare gazoasă. .
Au trecut apoi la măsurarea modificării curentului primit de anod în funcție de energia cinetică deținută de electroni și astfel au putut deduce pierderea de energie a electronilor în momentul în care s-au produs ciocnirile.
Material
Grupul triodă a fost conținut într-o capsulă de sticlă care conține mercur. Este posibil să se efectueze acest experiment la diferite temperaturi și este important să se poată compara aceste rezultate cu o măsurătoare la temperatura camerei, în care mercurul va fi în stare lichidă.
Când mercurul este încălzit la o temperatură de 630 K, acesta devine gaz. Dar pentru a evita a fi nevoit să atingeți acea temperatură, este posibil să lucrați cu o presiune redusă în interiorul capsulei și poate fi încălzită la o temperatură care variază între 100 și 200 °C.
Pentru ca electronii să fie extrași și pentru a atinge o viteză relevantă, trebuie folosită o tensiune care să fie situată între catod și rețea, care va fi o tensiune de accelerație, producând unde radio. La fel, poate fi interesant să plasezi o tensiune în sens invers, între anod și rețea, pentru a încetini electronii.
Rezultatele experimentului Hertz
După cum se explică în Biografia lui Hertz, rezultatul acestui experiment este că se va putea reprezenta modul în care evoluează diferența de potențial care va rezulta dintr-un convertor curent-tensiune care este plasat la ieșirea anodului, în raport cu diferența de potențial de extracție a electronilor din catod.
Pentru a obține diferențe de potențial scăzute, până la 4,9 V, curentul care curge prin tub crește constant odată cu creșterea diferenței de potențial. Odată cu tensiunea mai mare câmpul electric din tub crește și electronii vor fi atrași cu mai multă forță spre grila de accelerație. În acest caz, se observă că la 4,9 volți, curentul scade brusc, aproape înapoi la zero.
Curentul va crește constant dacă tensiunea continuă să crească, până când se ajunge la 9.8 volți, care este exact de două ori primul volum de curent utilizat și putem observa că o scădere bruscă similară are loc la 9.8 volți. Această serie de căderi de curent pentru incremente de aproximativ 4.9 volți se va menține în mod observabil până la potențiale de cel puțin aproximativ 100 de volți.
Interpretarea rezultatelor experimentului Hertz
Franck și Hertz au putut să-și explice experimentele în condiții de ciocnire elastică și ciocnire inelastică a electronilor. La potențiale scăzute, electronii accelerați dobândesc doar o cantitate moderată de energie cinetică. Când s-au confruntat cu atomii de mercur din tubul de sticlă, au făcut doar ciocniri elastice.
Acest lucru are motivul pentru a fi în predicția mecanicii cuantice care a indicat că un atom nu este capabil să absoarbă nicio energie până când energia coliziunii depășește valoarea necesară pentru a excita un electron care este legat de atomul menționat la un strat de energie mai mare.
Doar pentru ciocnirile elastice, cantitatea absolută de energie cinetică din cadrul sistemului rămâne aceeași. Deoarece electronii au o masă de aproximativ o mie de ori mai ușoară decât atomii mai puțin masivi, aceasta înseamnă că majoritatea electronilor și-au păstrat energia cinetică, devenind unde hertzi. Potențialele mai mari au condus la conducerea mai multor electroni din rețea către anod și, de asemenea, au reușit să crească curentul observat, până când potențialul de accelerație a ajuns la 4.9 volți.
Cea mai scăzută energie de excitație electronică pe care o poate avea un atom de mercur are nevoie de 4,9 electron volți (eV). În cazul în care puterea de accelerare a atins 4.9 volți, fiecare electron liber a absorbit exact 4.9 eV de energie cinetică, peste energia sa de repaus la acea temperatură, în momentul în care a ajuns în rețea.
Din acest motiv, o coliziune între un atom de mercur și un electron liber poate fi inelastică în acel moment, adică energia cinetică a unui electron liber poate fi transformată în energie potențială prin excitarea nivelului de energie al unui electron care are un atom de mercur. . Când toată energia sa cinetică este pierdută, electronul liber este incapabil să învingă puterea negativă ușoară la electrodul de masă, iar curentul electric scade brusc.
Când tensiunea este crescută, electronii formează o coliziune inelastică, își pierd potențialul cinetic de 4.9 eV, dar apoi rămân într-o stare accelerată. În acest fel, curentul care se măsoară crește din nou la creșterea potențialului de accelerație, începând de la 4.9 V. Când se atinge 9.8 V, situația se schimbă din nou.
În acel moment, fiecare electron are energia necesară pentru a face parte din două ciocniri inelastice, care reușesc să excite doi atomi de mercur, iar apoi să-și piardă toată energia cinetică. Acesta este ceea ce explică scăderea curentului observat. În intervalele de 4.9 volți, această procedură se va repeta, deoarece electronii vor experimenta o nouă coliziune inelastică.
