Ali veš kaj hertz eksperiment? Šlo je za študijo, ki sta jo leta 1914 prvič izvedla znanstvenika James Franck in Gustav Ludwig Hertz, katere namen je bil ugotoviti kvantizacijo energijskih nivojev elektronov, prisotnih v atomih.
Franck in Hertz eksperiment
Hertzov eksperiment je lahko potrdil Bohrov kvantni model atoma in dokazal, da so atomi sposobni absorbirati le določene količine energije, imenovane kvanti. Zaradi tega je to eden bistvenih eksperimentov za kvantno fiziko. Za to raziskavo sta Franck in Hertz leta 1925 prejela Nobelovo nagrado za fiziko.
Zgodovina, kdo je bil Hertz?
Leta 1913 je Niels Bohr zagovarjal obstoj novega modela atoma, kasneje imenovanega Bohrov atomski model, in predlagal obstoj elektronskih orbit, ki so imele za model Rutherfordov atomski model, podobno kot planetarni sistem. S svojim modelom je predlagal štiri postulate, od katerih se je eden nanašal na kvantizacijo orbit elektronov.
Na ta način so bili prvi poskusi namenjeni preverjanju te kvantizacije. V prvih poskusih je bila uporabljena svetloba, saj je bilo takrat znano, da je svetloba sestavljena iz kvantov energije. Zaradi tega je Bohr kritiziran zaradi dejstva, da so rezultati kvantizacije orbit in s tem kvantizacije energijskih stanj elektronov atoma izvirali le iz kvantizacije svetlobe.
Leta 1914 sta Franck in Hertz, ki sta delala na ionizacijskih energijah atomov, zasnovala poskus z uporabo energijskih nivojev atoma živega srebra. Njegov test je uporabljal samo elektrone in atome živega srebra, ne da bi uporabil svetlobo. Bohr je tako dobil neizpodbitno demonstracijo svojega atomskega modela.
Hertzov eksperiment v praksi
Sprva so za prikaz kvantizacije energijskih nivojev uporabili triodo, sestavljeno iz katode, polarizirane mreže in anode, ki je sposobna ustvariti elektronski žarek znotraj vakuumske cevi, ki vsebuje živo srebro v plinastem stanju. .
Nato so nadaljevali z merjenjem modifikacije toka, ki ga je prejela anoda glede na kinetično energijo, ki jo imajo elektroni, in tako so lahko sklepali o izgubi energije elektronov v trenutku, ko je prišlo do trkov.
Material
Triodna skupina je bila v stekleni kapsuli, ki je vsebovala živo srebro. Ta poskus je mogoče izvesti pri različnih temperaturah in pomembno je, da lahko te rezultate primerjamo z meritvijo pri sobni temperaturi, pri kateri bo živo srebro v tekočem stanju.
Ko se živo srebro segreje na temperaturo 630 K, postane plin. Da pa ne bi dosegli te temperature, je možno delati z zmanjšanim tlakom v kapsuli in jo lahko segrejemo na temperaturo med 100 in 200 °C.
Za ekstrakcijo elektronov in doseganje ustrezne hitrosti je treba uporabiti napetost, ki bo nameščena med katodo in mrežo, ki bo pospeševalna napetost, ki proizvaja radijski valovi. Na enak način bi lahko bilo zanimivo postaviti napetost v nasprotni smeri, med anodo in mrežo, da bi upočasnili elektrone.
Rezultati Hertzovega eksperimenta
Kot je razloženo v Hertzova biografija, rezultat tega poskusa je, da bo mogoče predstaviti način, kako se potencialna razlika, ki bo nastala zaradi tokovno-napetostnega pretvornika, ki je nameščen na izhodu anode, razvija glede na razliko potenciala ekstrakcije elektronov iz katoda.
Da bi dosegli nizke potencialne razlike, do 4,9 V, se tok, ki teče skozi cev, enakomerno povečuje z naraščajočo potencialno razliko. Z višjo napetostjo se električno polje v cevi poveča in elektroni bodo potegnjeni z večjo silo proti pospeševalni mreži. V tem primeru opazimo, da pri 4,9 voltov tok nenadoma pade, skoraj nazaj na nič.
Tok bo vztrajno naraščal, če bo napetost še naprej naraščala, dokler ne dosežemo 9.8 voltov, kar je natanko dvakrat več od prvega uporabljenega volumna toka, in vidimo, da se podoben nenadni padec pojavi pri 9.8 voltov. Ta serija padcev toka za korake približno 4.9 voltov bo opazno držala potenciale vsaj približno 100 voltov.
Interpretacija rezultatov Hertzovega eksperimenta
Franck in Hertz sta lahko razložila svoje poskuse v pogojih elastičnega trka in neelastičnega trka elektronov. Pri nizkih potencialih so pospešeni elektroni pridobili le zmerno količino kinetične energije. Ko so se soočili z atomi živega srebra v stekleni cevi, so naredili le elastične trke.
To ima svoj razlog, da je v napovedi kvantne mehanike, ki je pokazala, da atom ni sposoben absorbirati nobene energije, dokler energija trka ne preseže vrednosti, ki je potrebna za vzbujanje elektrona, ki je vezan na omenjeni atom na višji energijski plasti.
Samo pri elastičnih trkih ostane absolutna količina kinetične energije znotraj sistema enaka. Ker imajo elektroni maso, ki je približno tisočkrat lažja od manj masivnih atomov, to pomeni, da je večina elektronov obdržala svojo kinetično energijo in postala hertz valovi. Višji potenciali so povzročili poganjanje več elektronov iz mreže na anodo in tudi povečali opazovani tok, dokler potencial pospeška ni dosegel 4.9 voltov.
Najnižja energija elektronskega vzbujanja, ki jo lahko ima atom živega srebra, potrebuje 4,9 elektron voltov (eV). V primeru, ko je pospeševalna moč dosegla 4.9 voltov, je vsak prosti elektron absorbiral natanko 4.9 eV kinetične energije, nad svojo energijo mirovanja pri tej temperaturi, do trenutka, ko je dosegel mrežo.
Zaradi tega je lahko trk med atomom živega srebra in prostim elektronom takrat neelastičen, to pomeni, da se kinetično energijo prostega elektrona lahko spremeni v potencialno energijo z vzbujanjem energijske ravni elektrona, ki ima atom živega srebra. . Ko se izgubi vsa njegova kinetična energija, prosti elektron ne more premagati rahle negativne moči na ozemljitveni elektrodi in električni tok naglo pade.
Ko se napetost poveča, elektroni tvorijo neelastičen trk, izgubijo svoj kinetični potencial 4.9 eV, nato pa ostanejo v pospešenem stanju. Na ta način se tok, ki ga merimo, ponovno dvigne, ko se poveča potencial pospeška, začenši s 4.9 V. Ko dosežemo 9.8 V, se situacija spet spremeni.
V tistem trenutku ima vsak elektron potrebno energijo, da je del dveh neelastičnih trkov, ki uspe vzbuditi dva atoma živega srebra, nato pa izgubita vso svojo kinetično energijo. To pojasnjuje opaženo zmanjšanje toka. V intervalih 4.9 voltov se bo ta postopek ponovil, ker bodo elektroni doživeli nadaljnji neelastičen trk.
