Viete čo hertzový experiment? Bola to štúdia, ktorú po prvýkrát vykonali v roku 1914 vedci James Franck a Gustav Ludwig Hertz, ktorej cieľom bolo stanoviť kvantizáciu energetických hladín elektrónov prítomných v atómoch.
Franckov a Hertzov experiment
Hertzov experiment dokázal potvrdiť Bohrov kvantový model atómu a dokázal, že atómy boli schopné absorbovať iba špecifické množstvá energie nazývané kvantá. Z tohto dôvodu ide o jeden zo základných experimentov pre kvantovú fyziku. Za tento výskum dostali Franck a Hertz v roku 1925 Nobelovu cenu za fyziku.
História, kto bol Hertz?
V roku 1913 Niels Bohr presadzoval existenciu nového modelu atómu, neskôr tzv. Bohrov atómový model, a navrhol existenciu elektrónových dráh, ktoré mali za model Rutherfordov atómový model, podobne ako planetárny systém. So svojím modelom navrhol štyri postuláty, z ktorých jeden súvisel s kvantizáciou obežných dráh elektrónov.
Týmto spôsobom mali prvé experimenty za cieľ dokázať túto kvantizáciu overiť. Pri prvých pokusoch sa využívalo svetlo, keďže v tom čase sa vedelo, že svetlo je tvorené kvantami energie. Z tohto dôvodu je Bohrovi vyčítané, že výsledky kvantovania obežných dráh, a teda aj kvantovania energetických stavov elektrónov atómu, majú svoj pôvod iba v kvantovaní svetla.
V roku 1914 Franck a Hertz, ktorí pracovali na ionizačných energiách atómov, vymysleli experiment využívajúci energetické hladiny atómu ortuti. Jeho test používal iba elektróny a atómy ortuti bez použitia akéhokoľvek svetla. Bohr tak získal nevyvrátiteľnú demonštráciu svojho atómového modelu.
Hertzov experiment v praxi
Najprv na demonštráciu kvantovania energetických hladín použili triódu zloženú z katódy, polarizovanej mriežky a anódy, ktorá je schopná vytvoriť elektrónový lúč vo vákuovej trubici obsahujúcej ortuť v plynnom stave .
Potom pristúpili k meraniu modifikácie prúdu prijímaného anódou podľa kinetickej energie, ktorú majú elektróny, a tak boli schopní odvodiť stratu energie elektrónov v momente, v ktorom došlo k zrážkam.
Materiál
Triódová skupina bola obsiahnutá v sklenenej kapsule obsahujúcej ortuť. Tento experiment je možné vykonávať pri rôznych teplotách a je dôležité, aby bolo možné tieto výsledky porovnať s meraním pri izbovej teplote, v ktorej bude ortuť v kvapalnom stave.
Keď sa ortuť zahreje na teplotu 630 K, stáva sa plynom. Aby ste však nemuseli dosiahnuť túto teplotu, je možné pracovať so zníženým tlakom vo vnútri kapsuly a možno ju zahriať na teplotu, ktorá sa pohybuje medzi 100 a 200 °C.
Aby sa elektróny extrahovali a aby ste dosiahli príslušnú rýchlosť, musí sa použiť napätie, ktoré bude umiestnené medzi katódou a mriežkou, čo bude urýchľovacie napätie, ktoré vytvára rádiové vlny. Rovnako tak môže byť zaujímavé umiestniť napätie v opačnom smere, medzi anódu a mriežku, aby sa spomalili elektróny.
Výsledky Hertzovho experimentu
Ako je vysvetlené v Hertzov životopisvýsledkom tohto experimentu je, že bude možné znázorniť spôsob, akým sa bude vyvíjať potenciálový rozdiel, ktorý bude výsledkom prevodníka prúdu a napätia, ktorý je umiestnený na výstupe anódy, vo vzťahu k rozdielu extrakčného potenciálu elektrónov z katóda.
Na získanie nízkych potenciálových rozdielov až do 4,9 V sa prúd pretekajúci trubicou neustále zvyšuje so zvyšujúcim sa potenciálom. S vyšším napätím sa elektrické pole v trubici zvyšuje a elektróny budú ťahané väčšou silou smerom k urýchľovacej mriežke. V tomto prípade vidíte, že pri 4,9 voltoch prúd náhle klesne, takmer späť na nulu.
Ak sa napätie bude naďalej zvyšovať, prúd sa bude neustále zvyšovať, až kým sa nedosiahne 9.8 voltov, čo je presne dvojnásobok prvého použitého objemu prúdu, a môžeme vidieť, že podobný náhly pokles nastáva pri 9.8 voltoch. Táto séria poklesov prúdu pri prírastkoch približne 4.9 voltov sa bude pozorovateľne udržiavať na potenciáloch najmenej približne 100 voltov.
Interpretácia výsledkov Hertzovho experimentu
Franck a Hertz boli schopní vysvetliť svoje experimenty v podmienkach elastickej zrážky a nepružnej zrážky elektrónov. Pri nízkych potenciáloch zrýchlené elektróny získali len mierne množstvo kinetickej energie. Keď sa stretli s atómami ortuti v sklenenej trubici, urobili len elastické zrážky.
To má svoj dôvod na predpovedanie kvantovej mechaniky, ktorá naznačovala, že atóm nie je schopný absorbovať žiadnu energiu, kým energia zrážky nepresiahne hodnotu potrebnú na excitáciu elektrónu, ktorý je naviazaný na atóm na vyššej energetickej vrstve.
Len pre elastické zrážky zostáva absolútne množstvo kinetickej energie v systéme rovnaké. Pretože elektróny majú hmotnosť, ktorá je asi tisíckrát ľahšia ako menej hmotné atómy, znamená to, že väčšina elektrónov si zachovala svoju kinetickú energiu a stala sa hertzových vĺn. Vyššie potenciály viedli k vytlačeniu väčšieho množstva elektrónov z mriežky na anódu a tiež sa podarilo zvýšiť pozorovaný prúd, až kým potenciál zrýchlenia nedosiahol 4.9 voltov.
Najnižšia elektronická excitačná energia, akú môže mať atóm ortuti, potrebuje 4,9 elektrónvoltov (eV). V prípade, že zrýchľovací výkon dosiahol 4.9 voltu, každý voľný elektrón absorboval presne 4.9 eV kinetickej energie nad jeho pokojovú energiu pri danej teplote, kým dosiahol mriežku.
Z tohto dôvodu môže byť kolízia medzi atómom ortuti a voľným elektrónom v tom čase neelastická, to znamená, že kinetická energia voľného elektrónu sa môže premeniť na potenciálnu energiu vybudením energetickej hladiny elektrónu, ktorý má atóm ortuti. . Keď sa všetka jeho kinetická energia stratí, voľný elektrón nie je schopný prekonať mierny záporný výkon na uzemňovacej elektróde a elektrický prúd prudko klesá.
Keď sa napätie zvýši, elektróny vytvoria nepružnú zrážku, stratia svoj kinetický potenciál 4.9 eV, ale potom zostanú v zrýchlenom stave. Týmto spôsobom meraný prúd opäť stúpa, keď sa zvýši potenciál zrýchlenia, počnúc od 4.9 V. Po dosiahnutí 9.8 V sa situácia opäť zmení.
V tom momente má každý elektrón potrebnú energiu na to, aby bol súčasťou dvoch nepružných zrážok, ktorým sa podarí vybudiť dva atómy ortuti a následne stratiť všetku svoju kinetickú energiu. To vysvetľuje pozorovaný pokles prúdu. V 4.9 voltových intervaloch sa tento postup bude opakovať, pretože elektróny zažijú ďalšiu nepružnú zrážku.
