Знаете ли вы, что герц эксперимент? Это было исследование, проведенное впервые в 1914 году учеными Джеймсом Франком и Густавом Людвигом Герцем, целью которых было установить квантование энергетических уровней электронов, присутствующих в атомах.
Эксперимент Франка и Герца
Эксперимент Герца смог подтвердить квантовую модель атома Бора, доказав, что атомы способны поглощать только определенное количество энергии, называемое квантами. По этой причине это один из важнейших экспериментов для квантовой физики. За это исследование Франк и Герц были удостоены Нобелевской премии по физике в 1925 году.
История, Кем был Герц?
В 1913 году Нильс Бор выступил за существование новой модели атома, позже названной Атомная модель Бора, и предположил существование электронных орбит, моделью которых была Атомная модель Резерфорда, очень похоже на планетную систему. В своей модели он предложил четыре постулата, один из которых был связан с квантованием орбит электронов.
Таким образом, первые эксперименты были направлены на проверку этого квантования. В первых экспериментах использовался свет, так как в то время было известно, что свет состоит из квантов энергии. По этой причине Бора критикуют за то, что результаты квантования орбит, а следовательно, и квантования энергетических состояний электронов атома берут свое начало только в квантовании света.
В 1914 году Франк и Герц, работавшие над энергиями ионизации атомов, разработали эксперимент с использованием энергетических уровней атома ртути. В его тесте использовались только электроны и атомы ртути, без использования света. Таким образом, Бор получил неопровержимую демонстрацию своей модели атома.
Эксперимент Герца на практике
Сначала для демонстрации квантования энергетических уровней они использовали триод, состоящий из катода, поляризованной сетки и анода, который способен создавать электронный пучок внутри вакуумной трубки, содержащей ртуть в газообразном состоянии. .
Затем они приступили к измерению изменения тока, получаемого анодом, в соответствии с кинетической энергией, которой обладают электроны, и, таким образом, они смогли вывести потерю энергии электронами в момент, когда произошли столкновения.
Материалы
Триодная группа находилась внутри стеклянной капсулы, содержащей ртуть. Этот опыт можно проводить при различных температурах, и важно иметь возможность сравнить эти результаты с измерением при комнатной температуре, при которой ртуть будет находиться в жидком состоянии.
При нагревании ртути до температуры 630 К она становится газом. Но чтобы избежать достижения этой температуры, можно работать с пониженным давлением внутри капсулы и нагревать ее до температуры в диапазоне от 100 до 200 °C.
Чтобы электроны были извлечены и чтобы вы достигли соответствующей скорости, необходимо использовать напряжение, которое будет расположено между катодом и сеткой, которое будет ускоряющим напряжением, создающим радиоволны. Точно так же может быть интересно поместить напряжение в противоположном направлении между анодом и сеткой, чтобы замедлить электроны.
Результаты эксперимента Герца
Как поясняется в Биография Герца, результат этого эксперимента состоит в том, что можно будет представить, каким образом разность потенциалов, возникающая в результате преобразователя тока в напряжение, расположенного на выходе анода, изменяется по отношению к разности потенциалов извлечения электронов из катод.
Чтобы получить низкую разность потенциалов, вплоть до 4,9 В, ток, протекающий через трубку, постоянно увеличивается с увеличением разности потенциалов. При более высоком напряжении электрическое поле в трубке увеличивается, и электроны будут с большей силой притягиваться к ускоряющей сетке. В этом случае наблюдается, что при 4,9 вольт ток резко падает почти до нуля.
Ток будет неуклонно возрастать, если напряжение будет продолжать расти, пока не будет достигнуто значение 9.8 вольт, что ровно в два раза превышает первый использованный объем тока, и мы можем видеть, что подобное внезапное падение происходит при 9.8 вольт. Эта серия падений тока с приращением около 4.9 вольт будет заметно удерживаться до потенциалов, по крайней мере, около 100 вольт.
Интерпретация результатов эксперимента Герца
Франк и Герц смогли объяснить свои эксперименты в условиях упругого и неупругого столкновения электронов. При низких потенциалах ускоренные электроны приобретали лишь умеренную кинетическую энергию. Когда они сталкивались с атомами ртути в стеклянной трубке, они совершали только упругие столкновения.
Причина этого заключается в предсказании квантовой механики, которое указывало, что атом не способен поглощать какую-либо энергию до тех пор, пока энергия столкновения не превысит значение, необходимое для возбуждения электрона, связанного с указанным атомом в более высоком энергетическом слое.
Только для упругих столкновений абсолютная величина кинетической энергии внутри системы остается неизменной. Поскольку электроны имеют массу примерно в тысячу раз легче, чем менее массивные атомы, это означает, что большая часть электронов сохранила свою кинетическую энергию, превратившись в волны герца. Более высокие потенциалы привели к перемещению большего количества электронов из сетки к аноду, а также к увеличению наблюдаемого тока, пока потенциал ускорения не достиг 4.9 вольт.
Минимальная энергия электронного возбуждения, которую может иметь атом ртути, составляет 4,9 электрон-вольта (эВ). В случае, когда ускоряющая мощность достигала 4.9 вольт, каждый свободный электрон к тому времени, когда он достиг сетки, поглощал ровно 4.9 эВ кинетической энергии, что превышает его энергию покоя при этой температуре.
По этой причине столкновение атома ртути со свободным электроном может быть в это время неупругим, то есть кинетическая энергия свободного электрона может быть превращена в потенциальную путем возбуждения энергетического уровня электрона, имеющего атом ртути . Когда вся его кинетическая энергия потеряна, свободный электрон не может преодолеть небольшую отрицательную мощность на заземляющем электроде, и электрический ток резко падает.
При увеличении напряжения электроны образуют неупругое столкновение, теряют свой кинетический потенциал 4.9 эВ, но затем остаются в ускоренном состоянии. Таким образом, измеряемый ток снова возрастает при увеличении потенциала ускорения, начиная с 4.9 В. Когда достигается 9.8 В, ситуация снова меняется.
В этот момент каждый электрон обладает необходимой энергией, чтобы участвовать в двух неупругих столкновениях, в результате чего удается возбудить два атома ртути, а затем потерять всю свою кинетическую энергию. Этим и объясняется наблюдаемое уменьшение тока. В интервалах 4.9 вольт эта процедура будет повторяться, потому что электроны будут испытывать дальнейшее неупругое столкновение.
