คุณรู้หรือไม่ว่า การทดลองเฮิรตซ์? เป็นการศึกษาครั้งแรกในปี 1914 โดยนักวิทยาศาสตร์ James Franck และ Gustav Ludwig Hertz ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างการควอนไทซ์ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในอะตอม
การทดลองของแฟรงค์และเฮิรตซ์
การทดลองของเฮิรตซ์สามารถยืนยันแบบจำลองควอนตัมของบอร์ของอะตอม พิสูจน์ว่าอะตอมสามารถดูดซับพลังงานเฉพาะจำนวนที่เรียกว่าควอนตัมเท่านั้น ด้วยเหตุผลดังกล่าว นี่จึงเป็นหนึ่งในการทดลองที่สำคัญสำหรับฟิสิกส์ควอนตัม สำหรับงานวิจัยนี้ Franck และ Hertz ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1925
ประวัติศาสตร์ ใครคือเฮิรตซ์?
ในปี พ.ศ. 1913 Niels Bohr ได้สนับสนุนให้มีรูปแบบของอะตอมใหม่ ซึ่งภายหลังเรียกว่า แบบจำลองอะตอมของบอร์และเสนอการมีอยู่ของวงโคจรของอิเล็กตรอนซึ่งมีเป็นแบบจำลอง แบบจำลองอะตอมรัทเธอร์ฟอร์ดเหมือนกับระบบดาวเคราะห์ ด้วยแบบจำลองของเขา เขาเสนอสมมุติฐานสี่ประการ ซึ่งหนึ่งในนั้นเกี่ยวข้องกับการหาปริมาณของวงโคจรของอิเล็กตรอน
ด้วยวิธีนี้ การทดลองแรกมีวัตถุประสงค์ที่จะสามารถตรวจสอบการหาปริมาณนี้ได้ ในการทดลองครั้งแรก แสงถูกใช้ เนื่องจากในขณะนั้นทราบว่าแสงประกอบด้วยควอนตัมของพลังงาน ด้วยเหตุผลนี้ บอร์จึงถูกวิพากษ์วิจารณ์จากข้อเท็จจริงที่ว่าผลลัพธ์ของการหาปริมาณของวงโคจร ดังนั้น การหาปริมาณของสถานะพลังงานของอิเล็กตรอนของอะตอมจึงมีต้นกำเนิดในการหาปริมาณแสงเท่านั้น
ในปี 1914 Franck และ Hertz ซึ่งทำงานเกี่ยวกับพลังงานไอออไนเซชันของอะตอม ได้คิดค้นการทดลองโดยใช้ระดับพลังงานของอะตอมปรอท การทดสอบของเขาใช้เฉพาะอิเล็กตรอนและอะตอมของปรอทโดยไม่ใช้แสงใดๆ บอร์จึงได้รับการสาธิตแบบจำลองอะตอมของเขาอย่างหักล้างไม่ได้
การทดลองของเฮิรตซ์ในทางปฏิบัติ
ขั้นแรกเพื่อแสดงการควอนไทซ์ของระดับพลังงาน พวกเขาใช้ไตรโอดที่ประกอบด้วยแคโทด กริดโพลาไรซ์ และแอโนด ซึ่งสามารถสร้างลำอิเล็กตรอนภายในหลอดสุญญากาศได้ ซึ่งประกอบด้วยปรอทในสถานะก๊าซ .
จากนั้นจึงดำเนินการวัดการดัดแปลงของกระแสที่ขั้วบวกได้รับตามพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงสามารถอนุมานการสูญเสียพลังงานของอิเล็กตรอนในขณะที่เกิดการชนกันได้
วัสดุ
กลุ่มไตรโอดถูกบรรจุอยู่ภายในแคปซูลแก้วที่มีปรอท เป็นไปได้ที่จะทำการทดลองนี้ในอุณหภูมิที่ต่างกัน และเป็นสิ่งสำคัญที่จะสามารถเปรียบเทียบผลลัพธ์เหล่านี้กับการตรวจวัดที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งปรอทจะอยู่ในสถานะของเหลว
เมื่อปรอทถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิ 630 K มันจะกลายเป็นก๊าซ แต่เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้อุณหภูมิถึงนั้น มันเป็นไปได้ที่จะทำงานด้วยแรงดันที่ลดลงภายในแคปซูล และสามารถให้ความร้อนได้จนถึงอุณหภูมิที่อยู่ระหว่าง 100 ถึง 200 °C
เพื่อให้อิเล็คตรอนถูกดึงออกมาและเพื่อให้คุณไปถึงความเร็วที่สัมพันธ์กัน ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าที่จะอยู่ระหว่างแคโทดกับกริด ซึ่งจะเป็นแรงดันความเร่งทำให้เกิด ออนดาส เดอ เรดิโอ ในทำนองเดียวกัน การวางแรงดันไฟฟ้าในทิศทางตรงกันข้าม ระหว่างขั้วบวกกับกริด อาจเป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพื่อทำให้อิเล็กตรอนช้าลง
ผลการทดลองของเฮิรตซ์
ตามที่อธิบายไว้ใน ประวัติของเฮิรตซ์ผลลัพธ์ของการทดลองนี้คือมันเป็นไปได้ที่จะแสดงวิธีที่ความต่างศักย์ที่จะเป็นผลจากตัวแปลงแรงดันกระแสไฟที่วางอยู่ที่เอาต์พุตแอโนดพัฒนาสัมพันธ์กับความต่างศักย์การสกัดของอิเล็กตรอนจาก แคโทด.
เพื่อให้ได้ค่าความต่างศักย์ต่ำ ลงไปที่ 4,9 V กระแสที่ไหลผ่านท่อจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตามความต่างศักย์ที่เพิ่มขึ้น ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น สนามไฟฟ้าในหลอดจะเพิ่มขึ้น และอิเล็กตรอนจะถูกดึงด้วยแรงที่พุ่งเข้าหากริดความเร่งมากขึ้น ในกรณีนี้ คุณเห็นว่าที่ 4,9 โวลต์ กระแสไฟลดลงอย่างกะทันหัน เกือบกลับเป็นศูนย์
กระแสจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ หากแรงดันไฟฟ้ายังคงเพิ่มขึ้น จนกว่าจะถึง 9.8 โวลต์ ซึ่งเป็นสองเท่าของปริมาตรแรกของกระแสไฟที่ใช้ เราจะเห็นได้ว่าการตกอย่างกะทันหันที่คล้ายกันเกิดขึ้นที่ 9.8 โวลต์ ชุดของกระแสไฟตกนี้โดยเพิ่มขึ้นทีละประมาณ 4.9 โวลต์จะลดระดับลงอย่างสังเกตได้จนถึงระดับศักย์ไฟฟ้าอย่างน้อยประมาณ 100 โวลต์
การตีความผลการทดลองของเฮิรตซ์
Franck และ Hertz สามารถอธิบายการทดลองของพวกเขาได้ภายใต้สภาวะของการชนกันแบบยืดหยุ่นและการชนกันของอิเล็กตรอนแบบไม่ยืดหยุ่น ที่ศักย์ต่ำ อิเล็กตรอนที่เร่งความเร็วจะได้รับพลังงานจลน์เพียงเล็กน้อยเท่านั้น เมื่อพวกเขาเผชิญหน้ากับอะตอมของปรอทในหลอดแก้ว พวกมันทำให้เกิดการชนกันแบบยืดหยุ่นเท่านั้น
นี่เป็นเหตุผลที่อยู่ในการคาดการณ์ของกลศาสตร์ควอนตัมที่ระบุว่าอะตอมไม่สามารถดูดซับพลังงานใด ๆ จนกว่าพลังงานของการชนกันจะเกินค่าที่จำเป็นในการกระตุ้นอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้กับอะตอมดังกล่าวที่ชั้นพลังงานที่สูงขึ้น
สำหรับการชนกันแบบยืดหยุ่นเท่านั้น ปริมาณพลังงานจลน์ที่แน่นอนภายในระบบยังคงเท่าเดิม เนื่องจากอิเล็กตรอนมีมวลที่เบากว่าอะตอมที่มีมวลน้อยกว่าถึงพันเท่า หมายความว่าอิเล็กตรอนส่วนใหญ่คงพลังงานจลน์ของพวกมันไว้ กลายเป็น คลื่นเฮิรตซ์. ศักย์ที่สูงขึ้นส่งผลให้ขับอิเล็กตรอนมากขึ้นจากกริดไปยังแอโนด และยังประสบความสำเร็จในการเพิ่มกระแสที่สังเกตได้ จนกระทั่งศักย์เร่งถึง 4.9 โวลต์
พลังงานกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ต่ำที่สุดที่อะตอมของปรอทสามารถมีได้ต้องการ 4,9 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ในกรณีที่กำลังเร่งความเร็วถึง 4.9 โวลต์ อิเล็กตรอนอิสระแต่ละตัวดูดซับพลังงานจลน์ 4.9 eV ได้พอดี เหนือพลังงานที่เหลือที่อุณหภูมินั้น เมื่อไปถึงกริด
ด้วยเหตุผลนี้ การชนกันระหว่างอะตอมของปรอทกับอิเล็กตรอนอิสระจึงไม่ยืดหยุ่นในขณะนั้น กล่าวคือ พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนอิสระสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ได้โดยการกระตุ้นระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่มีอะตอมปรอท . เมื่อสูญเสียพลังงานจลน์ไป อิเล็กตรอนอิสระจะไม่สามารถเอาชนะพลังงานเชิงลบเล็กน้อยที่อิเล็กโทรดกราวด์ได้ และกระแสไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็ว
เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจะเกิดการชนกันแบบไม่ยืดหยุ่น สูญเสียศักย์จลนศาสตร์ของพวกมันที่ 4.9 eV แต่แล้วยังคงอยู่ในสถานะเร่ง ด้วยวิธีนี้ กระแสที่วัดได้จะเพิ่มขึ้นอีกครั้งเมื่อศักย์เร่งเพิ่มขึ้น โดยเริ่มจาก 4.9 V เมื่อถึง 9.8 V สถานการณ์จะเปลี่ยนไปอีกครั้ง
ในขณะนั้น อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีพลังงานที่จำเป็นในการเป็นส่วนหนึ่งของการชนกันที่ไม่ยืดหยุ่นสองครั้ง ซึ่งสามารถกระตุ้นอะตอมปรอทสองอะตอม แล้วสูญเสียพลังงานจลน์ทั้งหมดของพวกมัน นี่คือสิ่งที่อธิบายกระแสที่สังเกตได้ลดลง ในช่วง 4.9 โวลต์ ขั้นตอนนี้จะทำซ้ำๆ กัน เนื่องจากอิเล็กตรอนจะเกิดการชนกันแบบไม่ยืดหยุ่นเพิ่มเติม
