Ви знаєте, що експеримент Герца? Це було дослідження, проведене вперше в 1914 році вченими Джеймсом Франком і Густавом Людвігом Герцем, метою яких було встановити квантування енергетичних рівнів електронів, присутніх в атомах.
Експеримент Франка і Герца
Експеримент Герца зміг підтвердити квантову модель атома Бора, довівши, що атоми здатні поглинати лише певну кількість енергії, яка називається квантами. З цієї причини це один із важливих експериментів для квантової фізики. За це дослідження Франк і Герц були удостоєні Нобелівської премії з фізики в 1925 році.
Історія, ким був Герц?
У 1913 році Нільс Бор виступав за існування нової моделі атома, пізніше названої Атомна модель Бора, і запропонував існування електронних орбіт, які мали в якості моделі Атомна модель Резерфорда, схоже на планетну систему. У своїй моделі він запропонував чотири постулати, один з яких був пов'язаний з квантуванням орбіт електронів.
Таким чином, перші експерименти мали на меті перевірити це квантування. У перших експериментах використовували світло, оскільки тоді було відомо, що світло складається з квантів енергії. З цієї причини Бора критикують за те, що результати квантування орбіт, а отже, і квантування енергетичних станів електронів атома виникли лише в квантуванні світла.
У 1914 році Франк і Герц, які працювали над енергіями іонізації атомів, розробили експеримент з використанням енергетичних рівнів атома ртуті. Його тест використовував лише електрони та атоми ртуті, не використовуючи жодного світла. Таким чином Бор отримав незаперечну демонстрацію своєї атомної моделі.
Експеримент Герца на практиці
Спочатку, щоб продемонструвати квантування енергетичних рівнів, вони використовували тріод, що складається з катода, поляризованої сітки та анода, який здатний створювати електронний промінь всередині вакуумної трубки, що містить ртуть у газоподібному стані. .
Потім вони перейшли до вимірювання модифікації струму, отриманого анодом, відповідно до кінетичної енергії, якою володіють електрони, і, таким чином, вони змогли вивести втрату енергії електронів у момент, коли відбулися зіткнення.
Матеріал
Тріодна група містилася в скляній капсулі, що містить ртуть. Цей експеримент можна проводити при різних температурах, і важливо мати можливість порівняти ці результати з вимірюванням при кімнатній температурі, при якій ртуть буде в рідкому стані.
При нагріванні ртуті до температури 630 К вона стає газом. Але щоб уникнути досягнення цієї температури, можна працювати зі зниженим тиском всередині капсули і її можна нагріти до температури від 100 до 200 °C.
Для вилучення електронів і досягнення відповідної швидкості необхідно використовувати напругу, яка буде розташована між катодом і сіткою, яка буде напругою прискорення, створюючи радіохвилі. Таким же чином може бути цікаво розмістити напругу в протилежному напрямку, між анодом і сіткою, щоб уповільнити електрони.
Результати експерименту Герца
Як пояснюється в Біографія Герца, результатом цього експерименту є те, що можна буде уявити, як розвивається різниця потенціалів, яка виникне в результаті перетворювача напруги струму, розміщеного на виході анода, по відношенню до різниці потенціалів вилучення електронів з катод.
Щоб отримати низьку різницю потенціалів, аж до 4,9 В, струм, що протікає через трубку, постійно зростає зі збільшенням різниці потенціалів. З більш високою напругою електричне поле в трубці збільшується, і електрони будуть втягуватися з більшою силою до сітки прискорення. У цьому випадку ви бачите, що при напрузі 4,9 вольт струм раптово падає, майже до нуля.
Струм буде постійно зростати, якщо напруга продовжуватиме зростати, доки не буде досягнуто 9.8 вольт, що рівно вдвічі перевищує перший обсяг використаного струму, і ми бачимо, що подібне раптове падіння відбувається при 9.8 вольт. Ця серія падінь струму з кроком приблизно 4.9 вольт буде помітно триматися до потенціалів щонайменше приблизно 100 вольт.
Інтерпретація результатів експерименту Герца
Франк і Герц змогли пояснити свої експерименти в умовах пружного зіткнення і непружного зіткнення електронів. При низьких потенціалах прискорені електрони набували лише помірну кількість кінетичної енергії. Коли вони зіткнулися з атомами ртуті в скляній трубці, вони здійснили лише пружні зіткнення.
Це має свою причину для того, щоб у передбаченні квантової механіки вказувалося, що атом не здатний поглинати жодну енергію, поки енергія зіткнення не перевищить значення, необхідне для збудження електрона, який зв’язаний із зазначеним атомом на більш високому енергетичному шарі.
Тільки для пружних зіткнень абсолютна кількість кінетичної енергії всередині системи залишається незмінною. Оскільки електрони мають масу, яка приблизно в тисячу разів легша за менш масивні атоми, це означає, що більшість електронів зберегла свою кінетичну енергію, стаючи герцові хвилі. Більш високі потенціали призводили до переміщення більшої кількості електронів від сітки до анода, а також до збільшення спостережуваного струму, поки потенціал прискорення не досяг 4.9 вольт.
Найнижча енергія електронного збудження, яку може мати атом ртуті, потребує 4,9 електрон-вольта (еВ). У випадку, коли прискорювальна потужність досягала 4.9 вольт, кожен вільний електрон поглинув рівно 4.9 еВ кінетичної енергії, що перевищує його енергію спокою при цій температурі, до моменту досягнення сітки.
З цієї причини зіткнення між атомом ртуті та вільним електроном може бути в цей час непружним, тобто кінетичну енергію вільного електрона можна перетворити в потенційну енергію, збудивши енергетичний рівень електрона, який має атом ртуті. . Коли вся його кінетична енергія втрачена, вільний електрон не може подолати незначну негативну потужність на заземлювальному електроді, і електричний струм стрімко падає.
При збільшенні напруги електрони утворюють непружне зіткнення, втрачають свій кінетичний потенціал 4.9 еВ, але потім залишаються в прискореному стані. Таким чином, струм, який вимірюється, знову зростає при збільшенні потенціалу прискорення, починаючи з 4.9 В. При досягненні 9.8 В ситуація знову змінюється.
У цей момент кожен електрон має необхідну енергію, щоб бути частиною двох непружних зіткнень, які встигають збудити два атоми ртуті, а потім втратити всю свою кінетичну енергію. Саме цим пояснюється спостережуване зменшення струму. В інтервалах 4.9 вольт ця процедура повториться, тому що електрони зазнають подальшого непружного зіткнення.
