A e dini se çfarë eksperiment me herc? Ishte një studim i kryer për herë të parë në vitin 1914 nga shkencëtarët James Franck dhe Gustav Ludwig Hertz, qëllimi i të cilit ishte të përcaktonte kuantizimin e niveleve të energjisë së elektroneve të pranishme në atome.
Eksperimenti i Franck dhe Hertz
Eksperimenti i Hertz-it ishte në gjendje të konfirmonte modelin kuantik të atomit të Bohr-it, duke vërtetuar se atomet ishin të afta të thithnin vetëm sasi specifike të energjisë të quajtura kuante. Për këtë arsye, ky është një nga eksperimentet thelbësore për fizikën kuantike. Për këtë hulumtim, Franck dhe Hertz u nderuan me Çmimin Nobel në Fizikë në 1925.
Historia, kush ishte Hertz?
Në vitin 1913, Niels Bohr mbrojti ekzistencën e një modeli të ri të atomit, i quajtur më vonë Modeli Atomik Bohr, dhe propozoi ekzistencën e orbitave të elektroneve, të cilat kishin si model Modeli Atomik Rutherford, shumë si një sistem planetar. Me modelin e tij ai propozoi katër postulate, njëri prej të cilëve lidhej me kuantizimin e orbitave të elektroneve.
Në këtë mënyrë, eksperimentet e para synonin të arrinin të verifikonin këtë kuantizim. Në eksperimentet e para është përdorur drita, pasi në atë kohë dihej se drita përbëhej nga kuante energjie. Për këtë arsye, Bohr-i kritikohet për faktin se rezultatet e kuantizimit të orbitave, dhe rrjedhimisht, të kuantizimit të gjendjeve energjetike të elektroneve të atomit, e kishin origjinën vetëm në kuantizimin e dritës.
Në vitin 1914, Franck dhe Hertz, të cilët po punonin në energjitë e jonizimit të atomeve, shpikën një eksperiment duke përdorur nivelet e energjisë të atomit të merkurit. Testi i tij përdori vetëm elektrone dhe atome të merkurit, pa përdorur asnjë dritë. Bohr kështu fitoi demonstrimin e pakundërshtueshëm të modelit të tij atomik.
Eksperimenti i Hertz-it në praktikë
Në fillim, për të demonstruar kuantizimin e niveleve të energjisë, ata përdorën një triodë, të përbërë nga një katodë, një rrjet i polarizuar dhe një anodë, e cila është e aftë të krijojë një rreze elektronike brenda një tubi vakumi që përmban merkur në gjendje të gaztë. .
Më pas ata vazhduan të masin modifikimin e rrymës së marrë nga anoda sipas energjisë kinetike që zotëronin elektronet, dhe kështu ata ishin në gjendje të deduktonin humbjen e energjisë së elektroneve në momentin në të cilin ndodhën përplasjet.
material
Grupi i triodit përmbahej brenda një kapsule qelqi që përmbante merkur. Është e mundur të kryhet ky eksperiment në temperatura të ndryshme dhe është e rëndësishme që këto rezultate të mund të krahasohen me një matje në temperaturën e dhomës, në të cilën merkuri do të jetë në gjendje të lëngshme.
Kur merkuri nxehet në një temperaturë prej 630 K, ai shndërrohet në gaz. Por për të shmangur arritjen e asaj temperature, është e mundur të punohet me një presion të reduktuar brenda kapsulës dhe mund të nxehet në një temperaturë që varion midis 100 dhe 200 °C.
Që elektronet të nxirren dhe që ju të arrini një shpejtësi përkatëse, duhet të përdoret një tension që do të vendoset midis katodës dhe rrjetit, i cili do të jetë një tension nxitimi, duke prodhuar valët e radios. Në të njëjtën mënyrë, mund të jetë interesante të vendoset një tension në drejtim të kundërt, midis anodës dhe rrjetit, në mënyrë që të ngadalësohen elektronet.
Rezultatet e eksperimentit Hertz
Siç shpjegohet në Biografia e Hertz, rezultati i këtij eksperimenti është se do të jetë e mundur të përfaqësohet mënyra në të cilën ndryshimi i potencialit që do të rezultojë nga një konvertues rrymë-tensioni që vendoset në daljen e anodës evoluon, në lidhje me diferencën e potencialit të nxjerrjes së elektroneve nga katodë.
Për të marrë diferenca të ulëta potenciale, deri në 4,9 V, rryma që rrjedh nëpër tub rritet vazhdimisht me rritjen e diferencës së potencialit. Me një tension më të lartë, fusha elektrike në tub rritet dhe elektronet do të tërhiqen me më shumë forcë drejt rrjetit të nxitimit. Në këtë rast, vërehet se në 4,9 volt, rryma bie papritur, pothuajse përsëri në zero.
Rryma do të rritet në mënyrë të qëndrueshme nëse tensioni vazhdon të rritet, derisa të arrihet 9.8 volt, që është saktësisht dyfishi i vëllimit të parë të rrymës së përdorur, dhe mund të shohim se një rënie e ngjashme e papritur ndodh në 9.8 volt. Kjo seri e rënieve të rrymës për rritje prej rreth 4.9 volt do të qëndrojë dukshëm deri në potencialet prej të paktën rreth 100 volt.
Interpretimi i rezultateve të eksperimentit Hertz
Franck dhe Hertz ishin në gjendje të shpjegonin eksperimentet e tyre në kushtet e përplasjes elastike dhe përplasjes joelastike të elektroneve. Në potenciale të ulëta, elektronet e përshpejtuara fituan vetëm një sasi të moderuar të energjisë kinetike. Kur u përballën me atomet e merkurit në tubin e qelqit, ata bënë vetëm përplasje elastike.
Kjo ka arsyen e saj për të qenë në parashikimin e mekanikës kuantike që tregoi se një atom nuk është në gjendje të thithë asnjë energji derisa energjia e përplasjes të tejkalojë vlerën e kërkuar për të ngacmuar një elektron që është i lidhur me atomin në fjalë në një shtresë më të lartë energjie.
Vetëm për përplasjet elastike, sasia absolute e energjisë kinetike brenda sistemit mbetet e njëjtë. Për shkak se elektronet kanë një masë që është rreth një mijë herë më e lehtë se atomet më pak masive, kjo do të thotë se shumica e elektroneve ruajtën energjinë e tyre kinetike, duke u bërë valët herc. Potencialet më të larta rezultuan në drejtimin e më shumë elektroneve nga rrjeti në anodë dhe gjithashtu arritën në rritjen e rrymës së vëzhguar, derisa potenciali i nxitimit arriti në 4.9 volt.
Energjia më e ulët e ngacmimit elektronik që mund të ketë një atom merkur ka nevojë për 4,9 elektron volt (eV). Në rastin kur fuqia përshpejtuese arrinte 4.9 volt, çdo elektron i lirë thithi saktësisht 4.9 eV energji kinetike, mbi energjinë e tij të pushimit në atë temperaturë, në kohën kur arriti në rrjet.
Për këtë arsye, një përplasje midis një atomi të merkurit dhe një elektroni të lirë mund të jetë joelastike në atë kohë, domethënë, energjia kinetike e një elektroni të lirë mund të shndërrohet në energji potenciale duke nxitur nivelin e energjisë së një elektroni që ka një atom merkur. . Kur e gjithë energjia e tij kinetike humbet, elektroni i lirë nuk është në gjendje të kapërcejë fuqinë e lehtë negative në elektrodën e tokës dhe rryma elektrike bie me shpejtësi.
Kur rritet tensioni, elektronet formojnë një përplasje joelastike, humbasin potencialin e tyre kinetik prej 4.9 eV, por më pas mbeten në një gjendje të përshpejtuar. Në këtë mënyrë, rryma që matet rritet përsëri kur rritet potenciali i nxitimit, duke filluar nga 4.9 V. Kur arrihet 9.8 V, situata ndryshon përsëri.
Në atë moment, çdo elektron ka energjinë e nevojshme për të qenë pjesë e dy përplasjeve joelastike, të cilat arrijnë të ngacmojnë dy atome të merkurit dhe më pas të humbasin të gjithë energjinë e tyre kinetike. Kjo është ajo që shpjegon zvogëlimin e rrymës së vëzhguar. Në intervalet 4.9 volt, kjo procedurë do të përsëritet, sepse elektronet do të përjetojnë një përplasje të mëtejshme joelastike.
