Vet du vad hertz experiment? Det var en studie som gjordes för första gången 1914 av forskarna James Franck och Gustav Ludwig Hertz, vars syfte var att fastställa kvantiseringen av energinivåerna hos elektronerna som finns i atomer.
Franck och Hertz experimenterar
Hertz experiment kunde bekräfta Bohrs kvantmodell av atomen, vilket bevisade att atomer bara kunde absorbera specifika mängder energi som kallas kvanta. Av den anledningen är detta ett av de väsentliga experimenten för kvantfysik. För denna forskning tilldelades Franck och Hertz Nobelpriset i fysik 1925.
Historia, vem var Hertz?
År 1913 förespråkade Niels Bohr existensen av en ny modell av atomen, senare kallad Bohr Atomic Model, och föreslog förekomsten av elektronbanor, som hade som modell Rutherfords atommodell, ungefär som ett planetsystem. Med sin modell föreslog han fyra postulat, varav ett var relaterat till kvantiseringen av elektronernas banor.
På så sätt syftade de första experimenten till att kunna verifiera denna kvantisering. I de första experimenten användes ljus, eftersom man vid den tiden visste att ljus bestod av energikvanta. Av denna anledning kritiseras Bohr för det faktum att resultaten av kvantiseringen av banorna, och därför av kvantiseringen av energitillstånden för atomens elektroner, endast hade sitt ursprung i kvantiseringen av ljus.
1914 utformade Franck och Hertz, som arbetade med atomernas joniseringsenergier, ett experiment med användning av kvicksilveratomens energinivåer. Hans test använde bara elektroner och kvicksilveratomer, utan att använda något ljus. Bohr fick därmed den obestridliga demonstrationen av sin atommodell.
Hertz experiment i praktiken
För att demonstrera kvantiseringen av energinivåer använde de först en triod, som består av en katod, ett polariserat rutnät och en anod, som kan skapa en elektronstråle inuti ett vakuumrör. innehållande kvicksilver i gasformigt tillstånd .
De fortsatte sedan med att mäta modifieringen av den ström som anoden tog emot i enlighet med den kinetiska energi som elektronerna besitter, och på så sätt kunde de härleda energiförlusten för elektronerna i det ögonblick då kollisionerna inträffade.
Material
Triodgruppen fanns i en glaskapsel innehållande kvicksilver. Det är möjligt att utföra detta experiment vid olika temperaturer och det är viktigt att kunna jämföra dessa resultat med en mätning vid rumstemperatur, där kvicksilvret kommer att vara i flytande tillstånd.
När kvicksilver värms upp till en temperatur av 630 K blir det en gas. Men för att undvika att behöva nå den temperaturen går det att arbeta med ett reducerat tryck inuti kapseln och den kan värmas upp till en temperatur som sträcker sig mellan 100 och 200 °C.
För att elektronerna ska kunna extraheras och för att du ska nå en relevant hastighet måste en spänning användas som kommer att ligga mellan katoden och nätet, vilket kommer att vara en accelerationsspänning, som producerar radiovågor. På samma sätt kan det vara intressant att lägga en spänning i motsatt riktning, mellan anoden och nätet, för att bromsa elektronerna.
Resultaten av Hertz-experimentet
Som förklarat i Hertz biografi, resultatet av detta experiment är att det kommer att vara möjligt att representera det sätt på vilket potentialskillnaden som kommer att resultera från en ström-spänningsomvandlare som är placerad vid anodutgången utvecklas, i förhållande till extraktionspotentialskillnaden för elektroner från katod.
För att få låga potentialskillnader, ner till 4,9 V, ökar strömmen som flyter genom röret stadigt med ökande potentialskillnad. Med den högre spänningen ökar det elektriska fältet i röret och elektronerna kommer att dras med mer kraft mot accelerationsnätet. I det här fallet ser du att vid 4,9 volt sjunker strömmen plötsligt, nästan tillbaka till noll.
Strömmen kommer att öka stadigt om spänningen fortsätter att öka, tills 9.8 volt nås, vilket är exakt dubbelt så mycket som den första strömvolymen som används, och vi kan se att ett liknande plötsligt fall inträffar vid 9.8 volt. Denna serie av strömfall i steg om cirka 4.9 volt kommer att observeras ned till potentialer på åtminstone cirka 100 volt.
Tolkning av resultaten av Hertz-experimentet
Franck och Hertz kunde förklara sina experiment under förhållanden med elastisk kollision och oelastisk kollision av elektroner. Vid låga potentialer förvärvade de accelererade elektronerna endast en måttlig mängd kinetisk energi. När de konfronterade kvicksilveratomerna i glasröret gjorde de bara elastiska kollisioner.
Detta har sin anledning till att vara i kvantmekanikens förutsägelse som indikerade att en atom inte är kapabel att absorbera någon energi förrän kollisionens energi överstiger det värde som krävs för att excitera en elektron som är bunden till nämnda atom vid ett högre energilager.
För endast elastiska kollisioner förblir den absoluta mängden kinetisk energi i systemet densamma. Eftersom elektroner har en massa som är ungefär tusen gånger lättare än mindre massiva atomer, betyder det att de flesta av elektronerna behöll sin kinetiska energi och blev hertzvågor. Högre potentialer resulterade i att fler elektroner drevs från nätet till anoden och lyckades även öka den observerade strömmen, tills accelerationspotentialen nådde 4.9 volt.
Den lägsta elektroniska excitationsenergin en kvicksilveratom kan ha behöver 4,9 elektronvolt (eV). I det fall där accelerationseffekten nådde 4.9 volt, absorberade varje fri elektron exakt 4.9 eV kinetisk energi, över sin viloenergi vid den temperaturen, när den nådde nätet.
Av denna anledning kan en kollision mellan en kvicksilveratom och en fri elektron vara oelastisk vid den tiden, det vill säga en fri elektrons kinetiska energi kan omvandlas till potentiell energi genom att excitera energinivån hos en elektron som har en kvicksilveratom . När all dess kinetiska energi går förlorad kan den fria elektronen inte övervinna den svaga negativa effekten vid jordelektroden, och den elektriska strömmen sjunker brant.
När spänningen ökas bildar elektronerna en oelastisk kollision, förlorar sin kinetiska potential på 4.9 eV, men förblir sedan i ett accelererat tillstånd. På så sätt stiger strömmen som mäts igen när accelerationspotentialen ökas, med start från 4.9 V. När 9.8 V uppnås ändras situationen igen.
I det ögonblicket har varje elektron den nödvändiga energin för att vara en del av två oelastiska kollisioner, som lyckas excitera två kvicksilveratomer och sedan förlora all sin kinetiska energi. Detta är vad som förklarar de observerade strömminskningarna. I intervallen på 4.9 volt kommer denna procedur att upprepa sig, eftersom elektronerna kommer att uppleva en ytterligare oelastisk kollision.
